ভানুমতীর খেল! একটা কণাই বদলে দিল আমাদের জীবন

পেশিশক্তির প্রয়োজন হয়নি। সুপার পাওয়ারদের ডাকতে হয়নি। ফেলতে হয়নি পরমাণু বোমাও। সামান্য ছোট্টখাট্টো একটা কণা ইলেকট্রনই আমাদের জীবনটাকে একেবারে বদলে দিয়েছে। কখনও একাই। কখনও বা জোট বেঁধে।

যে কম্পিউটারে এই লেখা লিখছি, তার যাবতীয় যন্ত্রপাতি, আমাদের সারা দিনের সঙ্গী মোবাইল ফোন, তার বিভিন্ন যন্ত্রাংশ, ডিজিটাল ক্যামেরা, ডিভিডি থেকে শুরু করে এলসিডি, এমআরআই যন্ত্র, রেডিও, টেলিভিশন, এই সব কিছুই এসেছে, চলছে ইলেকট্রনের অদ্ভুত অদ্ভুত সব আচার, আচরণে। তাদেরই নানা রকমের মতিগতি আর চালচলনে। ওই সবক’টি যন্ত্রেই বিদ্যুৎ পরিবহণ করে নিয়ে যায় ইলেকট্রন। যার তড়িদাধান (চার্জ) ঋণাত্মক (নেগেটিভ)।

চার পাশে আমরা যত রকমের পদার্থ দেখি, সবই আদতে তিনটি মৌলিক কণা দিয়ে তৈরি। ইলেকট্রন, নিউট্রন আর প্রোটন। তাদের মধ্যে নিউট্রন আর প্রোটন মিলেঝুলে তৈরি করে পরমাণুর কেন্দ্রক বা নিউক্লিয়াস। আর ইলেকট্রন সেই নিউক্লিয়াসকে মেঘের মত ঘিরে থাকে। যে কোনও পদার্থের পরমাণুর চেহারা এমনটাই।

তা হলে, পদার্থের এত ধর্ম আসে কী ভাবে?

পদার্থের সংখ্যা তো কম নয়। তাদের মধ্যে কোনওটা পরিবাহী, কোনওটা অপরিবাহী। আবার কোনওটা অতিপরিবাহী তো কোনওটা অর্ধপরিবাহী। এই বৈচিত্রের কারণ, হয় কোনও ইলেকট্রনের একার আচার, আচরণ বা মতিগতি, চালচলন। নয়তো সেটা তাদের জোট বাঁধার ফলশ্রুতি। ‘বৈচিত্রের মাঝে একতা’-র সেই ‘সুতো’টা হল ইলেকট্রন।

জগদীশ চন্দ্র বসুর সেই রেডিও যন্ত্র। ইনসেটে, সি ভি রমনের কোয়ার্ৎজ স্পেকট্রোগ্রাফ

ইলেকট্রনকে কোনও তড়িৎ ক্ষেত্রে (ইলেকট্রিক ফিল্ড) রাখলে তা সব সময়ই তড়িৎ পরিবহণ করতে পারে। কিন্তু সেই একই ইলেকট্রন যখন অনেক বেশি ঘনত্বের অপরিবাহী বা অর্ধপরিবাহী পদার্থের মধ্যে থাকে, তখন সেটি আর বিদ্যুৎশক্তিকে বয়ে নিয়ে যেতে পারে না। তার পায়ে যেন কেউ বেড়ি পরিয়ে দেয়। দেখুন, তা হলে একটি পদার্থ থেকে অন্য পদার্থে কী অদ্ভুত ভাবে বদলে গেল ইলেকট্রনের আচার, আচরণ।

ইলেকট্রনের ভানুমতীর খেল!

আবার সেই অর্ধপরিবাহী পদার্থে যদি ইলেকট্রনের সংখ্যা একটু বাড়িয়ে বা কমিয়ে দেওয়া হয়, তা হলে সেই একই পদার্থকে দেখা যায় বিদ্যুৎ পরিবহণ করতে। এখানেও ইলেকট্রনের সেই ভানুমতীর খেল।

ইলেকট্রনের ঠিকানা, দেখুন ভিডিয়ো

অর্ধপরিবাহীর এই ধর্মকে কাজে লাগিয়েই মার্কিন বিজ্ঞানী বার্ডিন, ব্রাটেন ও শকলি ১৯৪৭ সালে ট্রানজিস্টর আবিষ্কার করেন। আধুনিক সভ্যতা যার উপর দাঁড়িয়ে আছে। আমাদের চার পাশে এই অর্ধপরিবাহী পদার্থের ব্যবহার এখন এতটাই বেশি যে, এখনকার সময়কে ‘সিলিকন যুগ’ (সিলিকন একটি অন্যতম অর্ধপরিবাহী) বললেও বোধহয় বাড়িয়ে বলা হবে না।

আরও পড়ুন- ব্রহ্মাণ্ডকে ধ্বংস করার ‘অস্ত্র’ এই প্রথম খুঁজে পেলেন বিজ্ঞানীরা

আরও দেখুন- আণবিক দানবিক

এই সব অর্ধপরিবাহী পদার্থের আবার কয়েকটি অদ্ভুত ধর্ম রয়েছে। তাপমাত্রা কমালে যেখানে সুপরিবাহীর রোধাঙ্ক (বিদ্যুৎশক্তি পরিবহণে বাধা বা রোধের একক) কমতে থাকে, সেখানে অর্ধপরিবাহীর আচরণটা হয় অন্য রকমের। আবার অর্ধপরিবাহী পদার্থেই নিয়ন্ত্রিত উপায়ে বিশেষ কিছু অপদ্রব্য মেশালে (যাকে ‘ডোপিং’ বলা হয়), সেগুলির রোধাঙ্ক ইচ্ছে মতো নিয়ন্ত্রণ করা যায়। ফলে, তার ভিতর দিয়ে বিদ্যুৎশক্তির পরিবহণকে ইচ্ছে মতো বাড়ানো, কমানো যায়।

মুম্বইয়ের টাটা ইনস্টিটিউট অফ ফান্ডামেন্টাল রিসার্চের ‘ভাটনগর’ পুরস্কারজয়ী অধ্যাপক প্রতাপ রায়চৌধুরী (বাঁ দিকে) ও গবেষক ইন্দ্রনীল রায়

তবে এই পথে বিজ্ঞানের এগিয়ে যাওয়াটা খুব সহজ হয়নি। দ্বিতীয় বিশ্বযুদ্ধের সময়ে গোটা বিশ্বেই প্রযুক্তির ব্যাপক উন্নতি হয়েছিল। তার সবচেয়ে বড় প্রমাণ, ১৯৪৭ সালে ট্রানজিস্টরের আবিষ্কার। মোবাইল ফোন বা কম্পিউটার এই সবের মধ্যে সাধারণ যোগ-বিয়োগ থেকে শুরু করে গণিতের জটিল হিসাব, মোবাইল ফোনে থাকা একগুচ্ছ সেন্সর, যেগুলো ব্যবহার করে আমরা পৃথিবীর মানচিত্রে আমাদের অবস্থান থেকে শুরু করে তাপমাত্রা, বায়ুর চাপ, আমাদের হাঁটার গতি- এই সব কিছুই জানতে পারি তার মূল উপাদান, সেই ট্রানজিস্টরেরই আরও একটু উন্নত বংশধর আণুবীক্ষণিক ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট বা আইসি। যা অর্ধপরিবাহী পদার্থ দিয়ে তৈরি।

অর্ধপরিবাহী সংক্রান্ত গবেষণায় নবতম সংযোজন হল এলইডি আলো। ২০১৪-য় তিন জন জাপানি বিজ্ঞানী ইসামু আকাসাকি, হিরোশি আমানো এবং শুজি নাকামুরা অর্ধপরিবাহী পদার্থ দিয়ে বানানো নীল রঙের এলইডি আলো আবিষ্কারের জন্য নোবেল পুরস্কার পান।

কী ভাবে কাজ করে এলইডি আলো? দেখুন ভিডিয়ো

সুপরিবাহী পদার্থের মধ্যে দিয়ে তড়িৎ যেতে খুব কম বাধা (যাকে রোধ বা রেজিস্ট্যান্স বলা হয়) পায়, ইলেকট্রনের বিশেষ বিন্যাসের জন্য। আবার অপরিবাহী পদার্থের মধ্যে দিয়ে একেবারেই তড়িৎ পাঠানো প্রায় যায় না, ইলেকট্রনেরই আচরণের দৌলতে।

ধাতুর তৈরি (মূলত তামা, অ্যালুমিনিয়াম) বৈদ্যুতিক তার আর তার চার পাশের অপরিবাহী প্লাষ্টিক-জাতীয় পদার্থের প্রলেপের কথা তো সকলেরই জানা। দুই ধরনের পদার্থের মূল উপাদান যদিও বিভিন্ন পরমাণু, তবু তাদের ইলেকট্রনের নানা ধরনের বিন্যাস, সজ্জা তাদের তড়িৎ-পরিবাহিতা ধর্মে রকমফের ঘটায়।

সুপরিবাহী পদার্থে ইলেকট্রনের আচার, আচরণ কেমন হয়, ১৯০০ সালে তা প্রথম দেখান জার্মান বিজ্ঞানী পল ড্রিউডে। এর ৫৬ বছর পর বিশিষ্ট রুশ বিজ্ঞানী লেভ ল্যান্ডাউ দেখান, খুব কম তাপমাত্রায় সুপরিবাহীর আচার, আচরণ কেমন হয়। তাঁর ‘ফার্মি-লিকুইড তত্ত্ব’ এখনও পর্যন্ত সুপরিবাহী পদার্থের সবচেয়ে সম্পূর্ণ ও গুরুত্বপূর্ণ তত্ত্ব।

জগদীশচন্দ্র বসু এবং সি ভি রমন

১৮৯৭ সালে আচার্য জগদীশচন্দ্র বসু একটি নতুন দিশা দেখিয়েছিলেন। তাঁর যন্ত্রে রেডিও তরঙ্গ নির্ধারণে অর্ধপরিবাহী পদার্থের ব্যবহার করে। রেডিও আবিষ্কার হয়েছিল। যা বঙ্গীয় নবজাগরণের যুগে আলোড়ন ফেলেছিল। এই কাজের জন্যই ১৯৭৭ সালে নোবেল পুরস্কার পাওয়া বিজ্ঞানী নেভিল মট জগদীশচন্দ্র সম্পর্কে বলেন, ‘‘জগদীশচন্দ্র তাঁর সময়ে গবেষনায় অন্তত ৬০ বছর এগিয়ে ছিলেন।’’

এর পর ১৯৩০। ওই বছর ভারতীয় বিজ্ঞানী সি. ভি. রমণ পদার্থের অণুর উপর আলোর ক্রিয়ায় পদার্থের গঠন জানার কৌশল আবিষ্কারের জন্য নোবেল পুরস্কার পান। এই কৌশলকেই ‘রমন এফেক্ট’ বলা হয়। বর্তমানে রসায়ন থেকে জীববিদ্যা ও ঔষধ সংক্রান্ত গবেষণায় এই পদ্ধতি বহুল ব্যবহৃত।

এই দুই কাহিনী আপাতদৃষ্টিতে সংযোগবিহীন মনে হলেও, যে অদৃশ্য সুতো এই দুই গবেষণাকে বেঁধে রাখবে, তারই নাম- কনডেন্সড ম্যাটার ফিজিক্স। পদার্থবিজ্ঞানের যে শাখাকে প্রায় ছয়ের দশক পর্যন্ত সকলে কঠিন পদার্থের বিজ্ঞান বা সলিড স্টেট ফিজিক্স নামে চিনতেন। বিজ্ঞানের এই শাখায় পদার্থের বিভিন্ন অবস্থা এবং তাদের আন্তঃ-রূপান্তর, সেই সকল অবস্থার বিভিন্ন ধর্ম, যেমন, তড়িৎ ও তাপ-পরিবাহিতা, চৌম্বকত্ব ইত্যাদি এবং তাদের আন্তঃ-ক্রিয়া-বিক্রিয়া চর্চা করা হয়।

বিশ শতকের গোড়ার দিকে আবিষ্কৃত কোয়ান্টাম পদার্থবিদ্যার কল্যাণে আমরা ইলেকট্রনের গতিপ্রকৃতি সম্পর্কে খুঁটিনাটি জানতে পারলেও সেই ইলেকট্রনই যে কী ভাবে বিভিন্ন পদার্থের মধ্যে বিভিন্ন ধর্মের জন্ম দেয় তা বরাবরই বিজ্ঞানীদের ভাবিয়ে এসেছে।

জোট বাঁধলে ইলেকট্রন উল্টে দেয় অনেক হিসেবনিকেশ!

পদার্থের মধ্যে ইলেকট্রনের আরও একটি অদ্ভুত আচরণ রয়েছে। ইলেকট্রনের আধান ঋণাত্মক। কুলম্ব বলের জন্য তাই তারা একে অন্যকে বিকর্ষণ করে। দূরে ঠেলে দেয়। এর ফলে একগুচ্ছ ইলেকট্রনের সমষ্টিগত আচরণ একটা ইলেকট্রনের থেকে একেবারেই আলাদা রকমের হয়ে যায়। পদার্থের উপাদানের এই সমষ্টিগত আচরণকে বিজ্ঞানের পরিভাষায় বলে ‘এমার্জেন্স’। যার বাংলা হতে পারে, ‘স্ব-উত্থান’।

ধরা যাক একটি পিঁপড়েকে একা কোথাও ছেড়ে দেওয়া হয়েছে। সে তখন দিগভ্রান্তের মতো ঘুরে বেড়াবে। অথচ যখন একদল পিঁপড়েকে কোথাও ছাড়া হবে, তারা বসতি গড়ে তুলবে। সেই রকমই একগুচ্ছ ইলেকট্রনের আচার, আচরণ জন্ম দেয় পদার্থের নিত্যনতুন দশার। সমষ্টিগত আচরণ কোনও কোনও পদার্থে সাধারণ ইলেকট্রনের ভরকে বাড়িয়ে প্রায় হাজার গুণও করে দেয়। জন্ম দেয় ‘ভারী ফার্মিয়ন’-এর। আবার ‘ফ্রাকশনাল হল এফেক্ট’-এ এমার্জেন্সের জন্য দেখা যায় ‘ফ্রাকশনাল চার্জ’ বা তড়িতাধানের ভগ্নাংশ। যা সাধারণ পদার্থবিদ্যার তত্ত্ব দিয়ে বোঝা যায় না। হিগ্স কণা, দূরকল্পিত মায়োরানা কণা, ওয়াইল কণা, এই সব কিছুরই সৃষ্টি হয় ইলেকট্রনের সমষ্টিগত আচরণে। যার মানে, বিজ্ঞানের অন্যান্য শাখায় যখন ওই সব কণার অস্তিত্ব ঠিক ভাবে বোঝা যায় না, তখন নিজস্বতার ঊর্ধে উঠে ইলেকট্রন তার সমষ্টিগত ক্ষমতা দিয়ে সেই জটিল ধাঁধার সমাধান করতে পারে, অনায়াসেই।

পদার্থের অতিপরিবাহিতা বা সুপার কনডাক্টিভিটি

তবে মনে রাখতে হবে বিজ্ঞানে পরীক্ষা আর তত্ত্ব হাতে হাত রেখে চললেও পদার্থবিদ্যার এই বিশেষ শাখা কনডেন্সড ম্যাটার ফিজিক্সে বেশির ভাগ সময়েই পরীক্ষামূলক গবেষণা অনেকটা এগিয়ে থেকেছে। তার সেরা উদাহরণ অতিপরিবাহিতা বা সুপার কনডাক্টিভিটি।

অতিপরিবাহিতা কী জিনিস? দেখুন ভিডিয়ো

কোনও অপচয় ছাড়াই বিনা বাধায় তারের মধ্যে দিয়ে বিদ্যুৎশক্তি পাঠানোর প্রযুক্তি। ১৯১১ সালে প্রথম কয়েকটি পদার্থের মধ্যে আবিষ্কৃত এই ধর্মটির ব্যাখ্যা পেতে ১৯৫০-১৯৫৭ সাল পর্যন্ত অপেক্ষা করতে হয়েছিল। যে ব্যাখ্যার জন্য বিজ্ঞানীত্রয়ী বার্ডিন, কুপার এবং স্রিফার ১৯৭২ সালে নোবেল পুরস্কার পান। তাঁরা প্রমাণ করে দেখান সাধারণ সুপরিবাহী পদার্থে পরমাণুর যে কম্পন ইলেকট্রনের গতিতে বাধা দেয়, সেই একই কম্পনের সাহায্যে অতিপরিবাহীর ইলেকট্রনরা বাধাহীন ভাবে চলতে পারে।

সাধারণত পদার্থের অতিপরিবাহিতা দেখতে হলে সেটির তাপমাত্রা হতে হয় শূন্য ডিগ্রি সেলসিয়াসের অনেক নিচে। যেমন পারদ অতিপরিবাহী হয় শূন্যের অনেক নীচে। ২৬৮.৮ ডিগ্রি সেলসিয়াসে। তবে সম্প্রতি ল্যান্থানাম সুপারহাইড্রাইড নামে একটি পদার্থে বায়ুর চাপের প্রায় ১৭০ কোটি গুণ চাপে, শূন্যের নীচে, ১৩ ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় অতিপরিবাহিতা দেখা গিয়েছে। যা ঘরের সাধারণ তাপ ও চাপে অতিপরিবাহিতা খুঁজে পাওয়ার বহু দিনের স্বপ্নকে জোরালো করে তুলেছে। অদূর ভবিষ্যতে যদি সেটা সম্ভব হয়, তা হলে এক জায়গা থাকে অন্য জায়গায় তারের মাধ্যমে বিদ্যুৎ পরিবহণের সময় আর বিন্দুমাত্র অপচয়ও হবে না। এই অপচয়ই এখন বিদ্যুৎ পরিবহণের সবচেয়ে বড় সমস্যা।

পদার্থের টোপোলজিক্যাল দশা

কোনও কোনও ক্ষেত্রে আবার পরীক্ষামূলক নয়, বরং তাত্ত্বিক গবেষণাই একেবারে নতুন দিগন্ত খুলে দিয়েছে। পদার্থের টোপোলজিক্যাল দশার কথাই ধরা যাক। আমরা জানি, বরফ গলে জল হয়। যাকে গলন বা মেল্টিং বলা হয়। টোপোলজি বা জ্যামিতিক আকৃতির গাণিতিক তত্ত্ব ব্যবহার করে বিজ্ঞানীরা দেখিয়েছেন, কোনও পদার্থের কঠিন অবস্থা থেকে গলে তরল হওয়ার প্রক্রিয়াটা চিরাচরিত পথে ছাড়াও, অন্য একটি বিশেষ পথেও হতে পারে। বহু বছর পর পরীক্ষামূলক ভাবে সেই তত্ত্ব প্রমাণিত হয়েছে। দেখা গিয়েছে, একদল নতুন পদার্থ আর তাদের ততোধিক নতুন নতুন ধর্ম পাওয়া যায় টোপোলজিক্যাল দশায়। যেমন, টোপোলজিক্যাল অপরিবাহী। যার উপরিতল সুপরিবাহী বা কখনও অতিপরিবাহী। কিন্তু তার ভিতরটায় দেখা যায় অপরিবাহিতা। টোপোলজিক্যাল দশার যুগান্তকারী গবেষণার জন্য তিন বিজ্ঞানী ডেভিড থাউলেস, ডানকান হল্ডেন এবং মাইকেল কোস্টার্লিটজ ২০১৬ সালে নোবেল পুরস্কার পান।

কাকে বলে পদার্থের টোপোলজিক্যাল দশা? দেখুন ভিডিয়ো

কোয়ান্টাম কম্পিউটার

পাশাপাশি চলছে কোয়ান্টাম কম্পিউটার বানানোর গবেষণা। যার মাধ্যমে কোয়ান্টাম জগতের অজানা নিয়মকানুন চটজলদি জানা হয়ে যাবে। আর এক বার তা হাতের মুঠোয় চলে এলেই নতুন প্রয়োজনীয় পদার্থের আবিষ্কার থেকে শুরু করে ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র জগতের বিজ্ঞান এক লহমায় আমাদের চোখের সামনে ভেসে উঠবে। কোয়ান্টাম কম্পিউটার তৈরী করতে অতিপরিবাহী আর টোপোলজিক্যাল পদার্থের ব্যবহার করা যায় কি না, তা নিয়ে এখন জোর গবেষণা চলছে।

কোয়ান্টাম কম্পিউটার: দেখুন ভিডিয়ো

এই গবেষণায় ভারত সামনের সারিতে

ভারতে বিজ্ঞানের এই শাখায় গবেষণা এখন এক সন্ধিক্ষণে। ইতিমধ্যেই গত কয়েক বছরে এই শাখার অনেক গবেষণাপত্র বেরিয়েছে ‘নেচার’, ‘সায়েন্স’-এর মতো আন্তর্জাতিক বিজ্ঞান-জার্নালগুলিতে। সম্প্রতি ভারত সরকার কোয়ান্টাম কম্পিউটেশন গবেষণায় বিশেষ প্রকল্প ঘোষণা করেছে। একই সঙ্গে কোয়ান্টাম ম্যাটারেও সেই ভাবে বিনিয়োগ হলে তবেই এই গবেষণা পূর্ণতা পাবে।

ছবি ও ভিডিয়ো সৌজন্যে: টাটা ইনস্টিটিউট অফ ফান্ডামেন্টাল রিসার্চ (মুম্বই) ও অক্সফোর্ড বিশ্ববিদ্যালয়ের পদার্থবিজ্ঞান বিভাগ