এই সেই আলাদিনের আশ্চর্য প্রদীপ!

খাবারের টুকরো হাতে নিয়ে দার্শনিক কণাদ রাস্তা ধরে হাঁটছিলেন আর ভাবছিলেন।

ভাবছিলেন, যদি এই বস্তুটাকে ক্রমশই টুকরো করতে থাকি, তা হলে তো একটা সময় আসবেই, যখন সেটাকে আর টুকরো করা যাবে না। আর সেটাই হবে ওই বস্তুটির শেষ অবিভক্ত কণা। দার্শনিক কণাদ যার নাম দিয়েছিলেন, ‘অণু’ (মলিকিউল)।

সেটা খ্রিস্টের জন্মের প্রায় ৬০০ বছর আগেকার কথা।

তার পর শতাব্দীর পর শতাব্দী কেটে গেল। ভারতীয় সভ্যতা প্রায় বিস্মৃতির অতলে তলিয়ে গেল। সময়টা ১৮০৩ সাল। ব্রিটিশ বিজ্ঞানী জন ডাল্টন পদার্থের ক্ষুদ্রতম অংশের নাম দিলেন- ‘পরমাণু’ (অ্যাটম)। বিজ্ঞান তার পর আরও দ্রুত গতিতে এগিয়ে চলল। ১৯১৩ সালে সদ্যোজাত কোয়ান্টাম বলবিদ্যার (কোয়ান্টাম মেকানিক্স) ব্যবহার করে বিজ্ঞানী নিল্‌স বোরই প্রথম পরমাণুর গঠন বর্ণনা করলেন। দেখা গেল, একটি পরমাণুর ব্যাসার্দ্ধ প্রায় এক মিটারের ১০০০,০০,০০,০০০ ভাগের এক ভাগ বা এক 'অ্যাংস্ট্রম'। এত ক্ষুদ্র কোনও কণাকে আমাদের চোখে দেখা সম্ভব নয়। তাদের দেখার জন্য দরকার প্রচণ্ড শক্তিশালী কোনও অনুবীক্ষণ যন্ত্রের (মাইক্রোস্কোপ)। শুধু তা-ই নয়, অত ক্ষুদ্র কণার আচার-আচরণ, চালচলনও আমাদের চার পাশের বস্তুদের মতো নয়। এক বার বুঝে নেওয়া যাক, তাদের আচার-আচরণটা কেমন।

আমরা জানি, একটি বল দেওয়ালের দিকে সজোরে ছুড়লে, বলটি দেওয়ালে ধাক্কা খেয়ে ছিটকে আসে (বাউন্স)। কিন্তু যদি বলটির আয়তন এতটাই ছোট হতে থাকে যে, আমাদের চেনা নিয়ম-কানুনগুলো উল্টে-পাল্টে যায়, তা হলে একটা সময় আসবে- যখন বলটি দেওয়ালের এ পার থেকে ও পারে অনায়াসে চলে যাবে। দেওয়ালটি কোনও রকমের বাধাই সৃষ্টি করবে না সেক্ষেত্রে। কোয়ান্টাম বলবিদ্যায় এই ঘটনার নাম ‘টানেলিং’।

কোয়ান্টাম বলবিদ্যা বিজ্ঞানের এমনই একটি শাখা, যা পদার্থের ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র কণা, যেমন অণু, পরমাণু ইত্যাদির পর্যালোচনা করে। যেখানে একটি বস্তু একই সঙ্গে কণা এবং তরঙ্গ। যেখানে বস্তুর অবস্থান নিশ্চিত ভাবে বলা হয় না। বরং সম্ভাবনার (প্রবাবিলিটি) আশ্রয় নেওয়া হয়। সেই নিয়ম মেনেই ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র একটি কণার একটি দেওয়াল ভেদ করে যাওয়ার সম্ভাবনা কখনওই শূন্য হতে পারে না।

বিশ শতকের গোড়ার দিকেই কোয়ান্টাম বলবিদ্যার আবিষ্কার এই ‘টানেলিং’কে সামনে নিয়ে আসে। ১৯২৭ সালে ফ্রেডরিক হুন্ড প্রথম তাত্বিক ভাবে এটি লক্ষ্য করেন। ১৯২৮ সালে জর্জ গ্যামো দেখালেন, তেজস্ক্রিয় পদার্থের পরমাণুর কেন্দ্র বা নিউক্লিয়াস থেকে আলফা কণা ‘টানেলিং’ পদ্ধতিতেই বেরিয়ে আসে। বিজ্ঞানীরা ‘টানেলিং’ নিয়ে কাজ করতে শুরু করলেন। ১৯৫৭ সালের মধ্যে অর্ধপরিবাহী (সেমিকন্ডাক্টর) ব্যবহার করে ট্রানজিস্টর ও ডায়োডের যে হই হই ব্যবহার শুরু হল, তার মাধ্যমেই কার্যত জনপ্রিয় হয়ে উঠল ‘টানেলিং’। এ তো গেল ‘টানেলিং’-এর গল্প।

‘টানেলিং’ কী জিনিস? দেখুন সহজে বোঝার ভিডিও।

‘টানেলিং’ তো ঘটছে। এটা ঘটনা। এ বার বিজ্ঞানীরা ভাবতে শুরু করলেন, ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র কণার জগতের সেই ঘটনাটি কী ভাবে সেই ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র কণার জগতকে আমাদের চোখের সামনে তুলে ধরতে পারে!

বিজ্ঞানীরা লক্ষ্য করলেন, যে-দেওয়াল ভেদ করে কণাটিকে যেতে হচ্ছে, সেই দেওয়ালটির বেধ (উইড্‌থ) যদি কমে, তা হলে দেওয়ালের অন্য পাশে কণাটিকে পাওয়ার সম্ভাবনা বাড়বে। আবার দেওয়ালটি মোটা হলে, তার অন্য পাশে কণাটির আসার সম্ভাবনা খুবই কমে যাবে। অর্থাৎ, আমরা যদি দেওয়ালের অন্য পাশে কণাগুলিকে ‘দেখতে পারি’, তা হলে তাদের সংখ্যা গুনে আমরা বলতে পারব, বেশি কণা এলে দেওয়ালটি সরু। আর কম কণা এলে সেটি মোটা। ওই পর্যবেক্ষণই (অবজারভেশন) প্রকৃতির ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র কণার জগতকে আমাদের চোখের সামনে নিয়ে আসার রাস্তাটা খুলে দিল।

আজ থেকে ৩৫ বছর আগে, ১৯৮১ সালে আইবিএম-এর দুই জার্মান বিজ্ঞানী গের্ড বিনিগ এবং হেইনরিখ্‌ রোহ্‌রার এই পদ্ধতি ব্যবহার করেই তৈরি করলেন বিশ্বের প্রথম ‘স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ’ বা, ‘এসটিএম’। যা ব্যবহার করে পদার্থের পরমাণুর ছবিও তোলা সম্ভব হল। যুগান্তকারী এই আবিষ্কারের জন্য এই দুই বিজ্ঞানী ১৯৮৬ সালে নোবেল পুরস্কার পান।

এ বার এই যন্ত্রটি কী ভাবে কাজ করে, তার মূল নীতিটা বুঝে নেওয়া যাক।

যন্ত্রের প্রধান অংশটি একটি সূচের মত সরু। সেটা তীক্ষ্ণ প্ল্যাটিনাম-ইরিডিয়াম বা টাংস্টেন ধাতুর তার। যাকে ‘টিপ’ বলা হয়। যে পদার্থের পৃষ্ঠতলের (সারফেস) অনুবীক্ষণিক ছবি তোলা হবে, তার ওপর ঋণাত্মক তরিৎ-বিভব প্রয়োগ করা হয়। আমরা জানি, বিদ্যুৎ সব সময় ধনাত্মক তরিৎ-বিভব থেকে ঋণাত্মক তড়িৎ-বিভবের দিকে যায় (যে জন্য একটি ব্যাটারির ধনাত্মক এবং ঋণাত্মক অংশের মধ্যে একটি তার জুড়ে দিলে, তার মাধ্যমে বিদ্যুৎ প্রবাহ হয়)। যদিও বিদ্যুতের একক ইলেকট্রন সব সময়েই ঋণাত্মক থেকে ধনাত্মক বিভবের দিকে যায়।

এখন ‘টিপ’টিতে কোনও বিভব প্রয়োগ না করেও সেটিকে ঋণাত্মক তরিৎ-বিভবের পদার্থের পৃষ্ঠতলের খুব কাছে আনলে, ইলেকট্রন সেই পদার্থের পৃষ্ঠতল থেকে ‘টানেলিং’ পদ্ধতিতে ‘টিপে’র দিকে চলে যায়। ‘টিপে’ ইলেকট্রনের এই প্রবাহ বিদ্যুৎ হিসাবে মাপা হয়। এখানে পদার্থের পৃষ্ঠতল এবং ‘টিপে’র মধ্যে যে সূক্ষ্ণ শূন্য স্থান থাকে, সেটাই ‘টানেলিং’-এর দেওয়ালের মতো কাজ করে। কাজেই ‘টিপ’টিকে পদার্থের পৃষ্ঠতলের কাছে নিয়ে গেলে, শূন্য স্থানের বা দেওয়ালের বেধ কমে যায়। আর তাতে ইলেকট্রনের প্রবাহ বেড়ে যায়। আর তার জন্য অনেক বেশি বিদ্যুৎ পাওয়া যায়। একই ভাবে, ‘টিপ’টিকে দুরে নিয়ে গেলে শূন্য স্থানের বা দেওয়ালের বেধ বাড়ে। আর তাতে বিদ্যুৎ প্রবাহ কমে। এখন ধরা যাক, পদার্থের পৃষ্ঠতলটি উঁচু-নিচু। তা হলে উঁচু জায়গায় ‘টিপ’টি পৃষ্ঠতলের কাছে থাকবে। আবার নীচু জায়গায় ‘টিপ’টি পৃষ্ঠতল থেকে দুরে থাকবে।

অর্থাৎ, আমরা যদি ‘টিপে’র বিদ্যুৎ প্রবাহ মাপি, তা হলে তার থেকেই বুঝতে পারব- পদার্থের পৃষ্ঠতলটি উঁচু নাকি নীচু। এই পদ্ধতিতে ‘এসটিএম’ ব্যবহার করে পদার্থের পৃষ্ঠতলের এক-একটি পরমাণুর ছবি দেখা সম্ভব। সেই এক-একটি পরমাণু মানুষের চুলের বেধের চেয়েও প্রায় দশ হাজার গুণ সূক্ষ!

এসটিএম’ পদ্ধতির খুঁটিনাটি: দেখুন সহজে বোঝার ভিডিও

বিনিগ ও রোহ্‌রারের ‘স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ’ আবিষ্কার ‘স্ক্যানিং প্রোব মাইক্রোস্কোপ’ পদ্ধতি নামে বিজ্ঞানের একটি শাখাই খুলে দিল। ‘এসটিএম’-এর 'টিপ'-এর আনুবীক্ষণিক নড়াচড়া নিয়ন্ত্রণ করার জন্য যা ব্যবহার করা হয়, তার নাম- 'পিয়েজো-ইলেকট্রিক নিয়ন্ত্রক'। যা কি না পারমাণবিক জগতে নির্ভুল ভাবে কাজ করতে পারে।

ওই কৌশল ব্যবহার করেই আণবিক-পারমাণবিক অনুবীক্ষণ প্রযুক্তিতে রীতিমতো বিপ্লব ঘটে গেল। ১৯৮২ সালে বিজ্ঞানী গের্ড বিনিগ পদার্থের পৃষ্ঠতলে পরমাণুর বল (ফোর্স)-এর ফারাকটা মেপেই ‘অ্যাটমিক-ফোর্স মাইক্রোস্কোপ’ বা 'এএফএম' যন্ত্র আবিষ্কার করলেন। ‘স্ক্যানিং টানেলিং মাইক্রোস্কোপ’-এর একটা খামতি ছিল। সেটা হল- ‘এসটিএম’ অপরিবাহী পদার্থের (নন-কন্ডাক্টর) পৃষ্ঠতলের ছবি তুলতে পারে না। এই খামতিটা মিটিয়ে দিল ‘অ্যাটমিক-ফোর্স মাইক্রোস্কোপ’ বা 'এএফএম'। অনুবীক্ষণ যন্ত্রের এই বিপ্লব বিজ্ঞানকে অনেকটা দূরে এগিয়ে নিয়ে গেল। ১৯৯২ সালে আবিষ্কৃত হল ‘স্ক্যানিং স্ক্যুইড মাইক্রোস্কোপ’ বা ‘এসএসএম’। যা এমনকী, পদার্থের পৃষ্ঠতলের চৌম্বক ক্ষেত্রও (ম্যাগনেটিক ফিল্ড) মাপতে পারে।

নায়োবিয়াম ডাইসেলেনাইডের পৃষ্ঠতলে সেলেনিয়াম পরমাণুর ছবি।

‘এসটিএম’ যন্ত্রটি শূন্য কেলভিনের খুব কাছের তাপমাত্রা থেকে শুরু করে শূন্য ডিগ্রি সেলসিয়াসের কয়েকশো’ ডিগ্রি ওপরেও কাজ করতে পারে। তবে ‘এসটিএম’ যন্ত্রটি খুবই সূক্ষ্ণ। আর তার সঠিক ব্যবহারের জন্য পদার্থের পৃষ্ঠতল যথেষ্ট পরিষ্কার হওয়া উচিত। প্রয়োজন প্রচণ্ড তীক্ষ্ণ ‘টিপ’, কম্পন-মুক্ত যন্ত্র এবং প্রয়োজনীয় ইলেকট্রনিক সরঞ্জাম। মুম্বইয়ের ‘টাটা ইনস্টিটিউট অফ ফান্ডামেন্টাল রিসার্চ’-এর গবেষণাগারের ‘এসটিএম’ যন্ত্রটি ৩০০ মিলি-কেলভিন বা, -২৭২.৮৫ ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত কাজ করতে পারে। আর সেটি ব্যবহার করে আমরা মূলত অতিপরিবাহী পদার্থের (সুপার-কন্ডাক্টিভিটি) ধর্ম পর্যবেক্ষণ করলেও, পদার্থের ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র পরমাণুর ছবিও আমরা প্রায়শই দেখে থাকি।

টিআইএফআরের ‘এসটিএম’ ল্যাবরেটরি।

তবে শুধু পদার্থের পরমাণুর ছবি দেখাটাই ‘এসটিএম’-এর এক ও একমাত্র কাজ নয়। তার আরও অনেক কাজ রয়েছে। তার মধ্যে অন্যতম হল কোয়ান্টাম বলবিদ্যার প্রাথমিক কিছু ধারণাকে পরীক্ষা-নিরীক্ষার মাধ্যমে সরাসরি চাক্ষুষ করা। তারই একটি হল- ‘পার্টিক্‌ল ইন আ বক্স’।

সেটা কী জিনিস?

একটা ক্ষুদ্রাতিক্ষুদ্র বাক্সে একটি কণা থাকলে (পার্টিক্‌ল ইন আ বক্স), বাক্সটির মধ্যে বিভিন্ন অবস্থানে থাকতে পারে সেই কণাটি। তা কতগুলি অবস্থানে থাকতে পারে, তার কতগুলি সম্ভাবনা, সেটা কোয়ান্টাম বলবিদ্যা দিয়ে অঙ্ক কষে দেখানো সম্ভব।

আর সেটা করার জন্য ইলেকট্রনকে কোনও একটি জায়গায় আটকে রাখার প্রয়োজন হল। আর সেই লক্ষ্যেই, আইবিএমের বিজ্ঞানীরা ১৯৯৩ সালে বানিয়ে ফেললেন একটি ‘কোয়ান্টাম বাক্স’।

কী ভাবে বানানো হল সেই ‘বাক্স’?

তামার পৃষ্ঠতলে (সারফেস) প্রায় ৭ ন্যানো-মিটার ব্যাসার্দ্ধের যদি একটা বৃত্ত (সার্কেল) বানানো যায়, তা হলে তার পরিধিতে পর পর সর্বাধিক ৪৮টি লোহার পরমাণু সাজিয়ে বানানো হল ওই ‘কোয়ান্টাম বাক্স’। তার মধ্যে আটকে রইল ইলেকট্রনগুলো। এর পর ‘এসটিএম’-এর সাহায্যে তার ছবি তুলে দেখা গেল, তা কোয়ান্টাম বলবিদ্যার ভবিষ্যদ্বাণীর সঙ্গে অক্ষরে অক্ষরে মিলে যাচ্ছে। বিজ্ঞানীরা এটারই নাম দিলেন- ‘কোয়ান্টাম কোরাল’। এই ‘কোরাল’ যে শুধুই বৃত্তাকার হয়, তা নয়। তা ফুটবল স্টেডিয়ামের মতোও দেখতে হতে পারে। তাকে বলে ‘স্টেডিয়াম কোরাল’।

ছবিতে দেখুন, ওই ‘কোরাল’-এর মধ্যে আটকে থাকা ইলেকট্রনের ‘তরঙ্গে’র ‘ঢেউ’গুলোকে। সেই ‘ঢেউ’-এর শীর্ষে ইলেকট্রন থাকার সম্ভাবনা সবচেয়ে বেশি। আর একেবারে নীচে তার সম্ভাবনা সবচেয়ে কম। কোয়ান্টাম বলবিদ্যা এটাই বলছে।

সেই বৃত্তাকার ‘কোয়ান্টাম কোরাল’। মধ্যে ইলেকট্রনের ঢেউ।

‘এসটিএম’ আরও কিছু ‘অসম্ভব’কে সম্ভব করেছে!

তার মধ্যে অন্যতম- ‘মায়োরানা ফার্মিয়ন’ নামে একটি ‘আপাত-কণা’ (কোয়াসি-পার্টিক্‌ল)-র হদিশ। যা আগে হাতে-কলমে অধরাই ছিল।

আগে বুঝে নেওয়া যাক, কাকে বলে ‘আপাত-কণা’?

‘আপাত-কণা’ কোনও আসল কণা নয়। কিন্তু কোনও একটি বিশেষ মাধ্যমের (মিডিয়াম) মধ্যে ইলেকট্রন সমষ্টিগত ভাবে সেই আসল কণার ধর্মগুলিকেই অণুকরণ করে। ফলে, তার আচার-আচরণগুলো তখন আসল কণাগুলোর মতোই হয়।

আরও পড়ুন- আমরা ভুল জানি কিছু, ভুল বলি কিছু কিছু কথা, জানাল বিজ্ঞান

২০১৪ সালে একদল মার্কিন বিজ্ঞানী সিসার ওপর লোহার একটি পারমাণবিক শৃঙ্খল বানান। সেই শৃঙ্খলটা অবশ্য বৃত্তাকার ছিল না। ছিল সরলরৈখিক (লিনিয়ার)। আর ‘এসটিএম’ ব্যবহার করে সেই শৃঙ্খলের প্রতিটি লোহার পরমাণুকে লক্ষ্য করেন। তাতে দেখা যায়, ওই শৃঙ্খলের শেষ দুই প্রান্তে (যেহেতু সরলরৈখিক) ‘মায়োরানা ফার্মিয়ন’-এর মতো ‘আপাত-কণা’র সৃষ্টি হয়। এটা ‘এসটিএম’-ই সম্ভব করে দেখাল।

এই ভাবেই ‘এসটিএম’ দিনের পর দিন আমাদের সামনে নিয়ে আসছে অদেখা আর অচেনা এক জগৎ।

তাই ‘এসটিএম’-কে আলাদিনের আশ্চর্য প্রদীপ না বলে আর কীই-বা বলা যায়?

ছবি্ ও ভিডিও সৌজন্যে: ‘টাটা ইনস্টিটিউট অফ ফান্ডামেন্টাল রিসার্চ’ (টিআইএফআর),

আইবিএম।