பருப்பொருட்களின் ஐந்தாம் நிலை - FIFTH STATE OF MATTER

 மு.ஜெயராஜ்

தலைமையாசிரியர்,

அரசு உயர்நிலைப்பள்ளி,

நாகமங்கலம்,

அரியலூர்.

”வினாடிக்கு 3 லட்சம் கிமீ  வேகத்தில் மின்னலென பாயும்  ஒளியானது வினாடிக்கு 17 மீ என்கிற வேகத்தில் தவழ்ந்து போவது சாத்தியமா?“

”சாத்தியம் தான் இந்த மீடியத்தில்”

”எந்த மீடியத்தில்?“

“தெரிந்து கொள்ளணும்னா இந்த கட்டுரையை வாசியுங்கள்!!”

பருப்பொருட்களின் ஐந்தாம் நிலை ”போஸ் ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்கம்”

(BOSE EINSTIEN CONDENSATE –BEC) 

(அறிவியல் கட்டுரை ஆசிரியர் Joseph Prabagar எனது பிளாஸ்மா குறித்த பதிவில் இந்த பருப்பொருட்களின் ஐந்தாம் நிலை குறித்து வாசித்து பார்க்க கேட்டுக் கொண்டதால் அது குறித்து வாசித்து வியந்தேன்.

ஆசிரியர்களாக இருப்போர் எப்போதும் அறிவினை விரிவு செய்தவண்ணம் இருக்க வேண்டும். எனக்கு அறிவியல் புலம் சார்ந்து தேடல்கள் எப்போதும் இருக்கும். முக்கியமாக அணுக்கரு விஞ்ஞானம் மற்றும் விண்வெளி என்றால் அதிக விருப்பம். பதிவினை வாசிப்போர் இது சார்ந்து தங்களது பார்வையையும் வினாக்களையும் தொடுத்தால் இன்னும் இன்னும் ஆழ்ந்து வாசிக்க ஏதுவாகும்.)

போஸ் ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்கம் என்பது தான் பருப்பொருட்களின் ஐந்தாம் நிலை. அது என்னவென்றால் “வாயு அணுக்களை தனிச்சுழி வெப்பநிலை அளவுக்கு (0 கெல்வின் அல்லது -273.15 டிகிரி செல்சியஸ்) குளிர்விக்கும் போது அணுக்கள் யாவும் ஒத்த நிலையை அடைந்து ஒற்றை பெரிய அணுவாக ஒடுங்கி நிற்கும் நிலை தான் போஸ் ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்கம் ஆகும்”

இது பற்றி சற்றே விரிவாக பார்ப்போம். இந்தியாவை சேர்ந்த சத்யேந்திர நாத் போஸ் மிகப்பெரிய இயற்பியல் ஆராய்ச்சியாளர். அவர் வெப்பநிலைகளுக்கும் அணுக்களின் நிலைகளுக்கும் இடையேயான தொடர்பு குறித்த ஒரு சமன்பாட்டை எழுதி ஐன்ஸ்டீனுக்கு அனுப்புகிறார். அந்தகாலத்தில் அறிவியல் இதழில் ஜெர்மன் மொழியில் கட்டுரை சமர்பிக்க வேண்டும். எனவே மொழியாக்க உதவிக்கு ஐன்ஸ்டீனை அணுகினார். ஐன்ஸ்டீன் படித்து பார்த்து சிறு திருத்தங்கள் செய்து இருவர் பெயரில் ஜெர்மன் மொழியில் பிரசுரம் செய்தார் “வாயுக்களை தனிச்சுழி வெப்பநிலைக்கு அருகில் கொண்டு செல்லும் போது அவை பருப்பொருட்களின் ஐந்தாவது நிலையை எட்டுகின்றன” என்கிற விஷயத்தை 1924 ல் அனுமானித்தார்.

ஐன்ஸ்டீன் அனுமானித்த அந்த விஷயத்தை ஆய்வுகள் மூலம் பருப்பொருட்களின் ஐந்தாம் நிலையை கண்டறிந்தது 1995 ஜூன் 5ம் நாள் காலை 10.54 .

எரிக் கார்னெல் மற்றும் கார்ல் வெய்மன் ஆகிய விஞ்ஞானிகள் கொலரடோ பல்கலைக் கழகத்தில் உள்ள  JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics ) ஆய்வகத்தில் அந்த அனுமானத்தை சோதனை செய்து 1995 ல் உண்மை என்று நிறுவினார்கள். 

இந்த இணை ருபிடியம் வாயுவை 1.7x10-7 K (0.00000017k) அளவுக்கு குளிர்வித்து போஸ் ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்க நிலையை எட்டிப் பிடித்துள்ளார்கள்.

வுல்ஃப்கேங் கெட்டர்ல் என்பவர் MIT ஆய்வகத்தில் சோடியம் வாயு அணுக்களை குளிர்வித்து போஸ்ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்கநிலையை எட்டியுள்ளார்.  இந்த மூன்று விஞ்ஞானிகளுக்கும் 2001 ல் இந்த சோதனைகளுக்காக நோபல் பரிசு வழங்கப் பட்டுள்ளது.

 

இதில் உள்ள தொழில்நுட்ப சவால்களைப் பற்றி சற்று சுருக்கமாக பார்ப்போம். 

பருப்பொருட்களின் வெப்பநிலை என்பதை டெக்னிக்கலாக என்னவென்று பார்ப்போம்.

பருப்பொருட்கள் அனைத்தும் மூலக்கூறுகள், அணுக்கள், அயனிகள் மற்றும் அணுக்களுக்குள் உள்ள துகள்கள் போன்றவற்றால் ஆனவை என்பது நாம் அறிவியல் பாடத்தில் படித்த விஷயம் தான். 

அந்த அணுக்கள் துகள்கள் யாவுமே இயக்க நிலையில் தான் இருக்கும். அவை அங்கும் இங்கும் அலைந்த படியே இருக்கும். அவ்வாறு அலையும் போது ஒன்றுடன் மோதிக்கொண்டும் உராய்ந்து கொண்டும் செல்கிறது. அதனால் ஏற்படும் வெப்ப ஆற்றல் தான் பருப்பொருட்களின் வெப்பநிலையை தீர்மானிக்கிறது. 

அதிக இயக்கம், அதிக வெப்பம். குறைவான இயக்கம் குறைவான வெப்பம். அழுத்தமும் வெப்பமும் நேர்விகிதத் தொடர்பில் இருக்கும்.

1848 ல் லார்ட் கெல்வின் தான் 0 டிகிரி கெல்வினை தனிச்சுழி வெப்பநிலை என்றார். அதாவது -273.15 டிகிரி செல்சியஸ். கெல்வின் ஸ்கேலில் வெப்பநிலை மைனசுக்கு போகவே போகாது. ஆய்வாளர்கள் வெப்பநிலை சார்ந்த ஆய்வுகளில் கெல்வின் ஸ்கேலையே பயன்படுத்துகிறார்கள்.

 தனிச்சுழி வெப்பநிலையான 0 டிகிரி கெல்வினில் அணுக்களோ துகள்களோ முற்றிலும் ஓய்வு நிலையை அடைகின்றன.  பிரபஞ்சத்தின் மிக குறைந்த வெப்பநிலை அந்த தனிச்சுழி வெப்பநிலையாகும். 

இதுவரை அந்த வெப்பநிலை எட்டப் பட்டதில்லை. அதற்கு மிக நெருக்கமான 1.7x10-7 K என்கிற அளவிற்கு பருப்பொருட்கள் செல்லும் போதுதான் அவை போஸ் ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்க நிலையை அடைந்து விடுகின்றன.

ருபிடியம் அணுக்களை எவ்வாறு குளிர்வித்தனராம்? 

அறை வெப்பநிலையில் இருக்கும் ருபிடியம் வாயு அணுக்களை லேசர் ஒளிக்கற்றையினால் அதனுள் இருக்கும் துகள்களின் வேகத்தை மட்டுப் படுத்தி ஒரு பட்டியில் அடைத்து வைத்துள்ளார்கள். இவ்வாறு வேகம் மட்டுப் படுத்தப் பட்டு தனிமைப் படுத்தி அடைத்து வைக்கப் பட்ட அணுக்களின் வெப்பநிலை தனிச்சுழி வெப்பநிலையில் பத்து மில்லியனில் ஒரு பங்கை எட்டி உள்ளது. ஆனாலும் போஸ் ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்க நிலைக்கு வெப்ப அளவு கோலில் இன்னும் நெடுந்தொலைவு உள்ளது. 

லேசர் கற்றைகளை அணைத்து விட்டு தனிமைப் படுத்தப் பட்ட  அணுக்களை காந்த புலம் மூலமாக ஒரே இடத்தில் நிலைநிறுத்துகிறார்கள். அதன்பிறகு அங்கே நிற்கும் அணுக்களில் வெப்பமான அணுக்கள் தேர்வு செய்யப் பட்டு வெளியேற்றப் படுகின்றன.  இவ்வாறான நடைமுறை மூலமாக தேவையான 1.7x10-7 K வெப்பநிலை அடையப் பெறுகிறது. 

கார்னெல் மற்றும் வெய்மென் கண்டறிந்த BEC ன் அளவு 20 மைக்ரான் தடிமன் உள்ளது. அதாவது ஒரு காகிதத்தின் தடிமனில் ஐந்தில் ஒரு பங்கு தான். அவர்கள் ருபிடியத்தின் 2000 அணுக்களை ஒரு பெரிய அணு போல திரளச் செய்திருந்தனர். அது 15-20 விநாடிகளே நிலைத்து இருந்தது.

தற்போது விஞ்ஞானிகள் உருவாக்கும் BEC மூன்று நிமிடங்களுக்கு மேல் நீடித்து இருக்கிறது.

இந்த கண்டுபிடிப்புகளால் எதாவது பயன் உண்டா என்று பார்ப்போம்.

1. BEC ஐ கண்டறிய பயன்படுத்தப் பட்ட லேசர் குளிர்விப்பு மற்றும் அணுக்களை சிறை பிடிக்கும் உத்திகள் வேறு பல ஆய்வுகளுக்கு வழிகாட்டியாக உள்ளது.

2. எந்த ஒரு உபகரணங்களும் இல்லாமல் வெறும் காந்த சக்தியை மட்டுமே கொண்டு அணுக்களை ஒரு இடத்தில் நிலை நிறுத்தும் உத்தி இதனால் கண்டறியப் பட்டுள்ளது.

3. ஃபோட்டான் லேசர் என்பது ஒளிக்கற்றைகளால் ஆனது. மிகத்துல்லியமாக செறிவு மிகுந்த கற்றையால் வெப்பத்தை ஏற்படுத்தி வேண்டியதை செய்து கொள்வது  என்பது வழக்கமான ஃபோட்டான் லேசரால் கிடைப்பது.  தற்போது அணுக்களால் ஆன லேசர் கற்றைகள் கூடசாத்தியமாகி உள்ளது. அணுக்களால் ஆன கற்றை என்றால் எவ்வளவு துள்ளியமாக இலக்கை கையாளலாம் என்பதை எண்ணிப் பாருங்கள்.

4. 1998ல் ஹார்வர்ட் பல்கலைக் கழகத்தில் லேன் ஹா என்கிற விஞ்ஞானி BEC மீடியம் வழியாக ஒளிக்கற்றைகளை அனுப்பிய போது வினாடிக்கு 3 லட்சம் கிமீ  வேகத்தில் செல்லும் ஒளியானது வினாடிக்கு 17 மீ என தடாலடியாக சென்றது.

 இந்த ஆய்வு இன்னும் பல கதவுகளை திறக்கும் என்கிறார்கள். அதாவது ஒளி அலைகள் சார்ந்த தகவல் தொடர்பு, ஒளிகற்றை தகவல் சேகரிப்பு மற்றும் குவாண்டம் கணினி போன்ற பல்வேறு ஆய்வு புலங்களில் குறிப்பிடத்தக்க பாய்ச்சலை இந்த ஆய்வுகள் ஏற்படுத்த வல்லது என்கிறார்கள் ஆய்வாளர்கள்.

5. தனிச்சுழி வெப்ப நிலைக்கு அருகிலான ஆய்வுகள் Super Fluid (மீத்திற பாய்மம் –மொழி பெயர்ப்பு சரிதானா?)  களை உண்டாக்குகின்றன. அவ்வகை பாய்மங்கள் உராய்வோ உரசலோ இல்லாமல் பாய்கின்றன. இவ்வகை பாய்மங்களை சுழற்றி விடுவோமானால் பல மில்லியன் ஆண்டுகள் ஆனாலும் சுழன்றபடியே தான் இருக்குமாம்.

6. தனிச்சுழி வெப்பநிலைக்கு அருகிலான வெப்பநிலையில் பாய்மங்கள் மீத்திறக் கடத்திகளாக (Super conductor) செயல்படுகின்றன. அதாவது மின்தடை 0 அளவில் மின்சாரம் கடத்தப் படுகிறது.

7. 2018 ல் போஸ்-ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்கத்தை சர்வதேச விண்வெளி மையத்தில் செய்து சாதனை படைத்துள்ளார்கள்.

8. மொத்தத்தில் இந்த BEC சார்ந்த ஆய்வுகள் குவாண்டம் இயற்பியலில் பல புதிய வாய்ப்புகளை ஏற்படுத்தியுள்ளது.

பிளாஸ்மா என்கிற பருப்பொருளின் நான்காம் நிலையானது மீயுயர் வெப்பநிலையில் உருவாகிறது. ஐந்தாம் நிலையான போஸ் ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்கம் தனிச்சுழி வெப்ப நிலைக்கு வெகு அருகில் உருவாகிறது.  ஆகவே கெல்வின் வெப்பநிலை அளவுகோல் படி வகைப் படுத்தினால் 

1 ம் நிலை போஸ் ஐன்ஸ்டீன் ஒடுக்கம் மற்றும் பெர்மியான் கண்டென்சேட்

2 ம் நிலை திடப்பொருள்

3 ம் நிலை திரவப் பொருள்

4 ம் நிலை வாயுப்பொருள்

5 ம் நிலை பிளாஸ்மா எனும் அயனிமம் ஆகும்.

நியுட்ரான் விண்மீன் போன்ற நிலைகளில் - விண்வெளி முகில்களில் எந்த நிலையில் பருப்பொருள் இருக்கும் என்பது இன்னமும் புதிர். 

புதிர்கள் தொடர்கின்றன, நமது தேடல்களும் தொடர்ந்த வண்ணம் உள்ளன.