পদার্থবিজ্ঞানীরা পরমাণুর অত্যন্ত নির্ভুল ছবি তুলতে সক্ষম হয়েছেন

দুটি প্রধান সমস্যা ইলেক্ট্রন মাইক্রোস্কোপির রেজোলিউশন এবং তা থেকে প্রাপ্ত চিত্রগুলির সঠিকভাবে ব্যাখ্যা করতে দেয় না। সীমাবদ্ধতা দুটি হলো লেন্সের বিচ্যুতি বা lens aberration এবং একাধিক বিচ্ছুরণ বা multiple scattering. কর্নেল বিশ্ববিদ্যালয়ের অধ্যাপক ডেভিড মুলার এবং মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র, সুইজারল্যান্ড এবং জার্মানি থেকে আসা সহকর্মীরা টাইকোগ্রাফি (ptychography) নামক কমপুটেশনাল ইমেজিং (Computational imaging) কৌশল ব্যবহার করে এই সীমাবদ্ধগুলিকে কাটিয়ে উঠেছেন। এক বাস্তধর্মী পরিশীলিত ত্রিমাত্রিক পুনর্গঠন অ্যালগরিদম এবং ইলেক্ট্রন মাইক্রোস্কোপ পিক্সেল অ্যারে ডিটেক্টর (EMPAD) ব্যবহার করে তারা প্রেসোডিয়ামিয়াম অর্থোস্ক্যান্ডেট (PrScO₃) স্ফটিকের মধ্যে পরমাণুর  তাপ এবং কম্পনের সমস্যা থাকার সত্তেও পূর্বের চেয়ে উন্নত রেজোলিউশনের ইমেজিং করতে সক্ষম হয়েছেন এবং সেটার মাধ্যমে তাত্ত্বিকভাবে দেখিয়েছেন যে একটা সিঙ্গেল পরমাণু সনাক্ত করা সম্ভব।

টাইকোগ্রাফি কাজ করে মুলত কোনও উপাদানের নমুনা থেকে অধিক্রমণকারী বিক্ষিপ্ত প্যাটার্নগুলি স্ক্যান করে সেই অধিক্রমণ বা ওভারল্যাপিং অঞ্চলের পরিবর্তনগুলির সন্ধান করে।

অধ্যাপক মুলার বলেছেন,

“আমরা কিছুটা ছত্রাক প্যাটার্নগুলি অনুসরণ করছি যা দেখতে অনেকটা লেজার-পয়েন্টার থেকে বেরোন লেজারের আলোর ঝলকানির মতো যেটা দেখে বিড়াল খেলা শুরু করে।”

“প্যাটার্ন কীভাবে পরিবর্তিত হয় তা দেখে আমরা প্যাটার্নটি যে কারণে হয় আমরা সে বস্তুর আকার গণনা করতে সক্ষম হয়েছি।”

EMPAD ডিটেক্টর দিয়ো আরও বিস্তৃত ডেটা সংগ্রহ করার জন্য বিমটি একটু অস্পষ্ট করে কিছুটা ডিফোকাস করা হয়েছিলো।

প্রাপ্ত ডেটাগুলি তখন জটিল অ্যালগরিদমের মাধ্যমে পুনর্গঠন করা হয়, যার ফলে পিকোমিটার (এক মিটারের এক ট্রিলিয়ন ভাগের) রেঞ্জের অনেকটা নির্ভুল একটি চিত্র পাওয়া যায়।

অধ্যাপক মুলার আরো বলেন,

“ঝাপসা ছবির সবচেয়ে বড় কারণ হলো পরমাণুগুলি নিজেরাই কম্পিত অবস্থায় ঘুরে বেড়ায়, কারণ সীমাবদ্ধ তাপমাত্রায় পরমাণুর ক্ষেত্রে এটিই ঘটে। কিন্তু এখন এই নতুন অ্যালগরিদমগুলির সাহায্যে আমরা আমাদের মাইক্রোস্কোপের সমস্ত অস্পষ্টতার জনীয় সমস্য সংশোধন করতে সক্ষম হয়েছি”

“যখন আমরা তাপমাত্রার কথা বলি, আমরা আসলে যা পরিমাপ করি তা হলো পরমাণুগুলির কম্পনের গড় গতি কতটা”

পদার্থবিজ্ঞানীরা সম্ভবত তাদের প্রাপ্ত ফলাফল আরো উন্নত এবং নিখুঁত করতে পারেন যদি তারা ভারী পরমাণু সমন্বিত এমন কোনও উপাদান ব্যবহার করে, যার কম্পন কম। অথবা তারা নমুনাটি শীতল করে নিতে পারেন, যাতে ভেতরর কম্পন কমে যায়। যেহেতু তাপমাত্রা কমলে আন্তআনবীক কম্পন হ্রাস পায়।

কোয়ান্টাম মাইক্রোস্কোপ তৈরি করলো গবেষকরা যা দিয়ে অসম্ভবকেও দেখা যাবে!

তবে এমনকি শূন্য তাপমাত্রায়ও পরমাণুতে কোয়ান্টাম ফ্লাকচুয়েশন রয়েছে, সুতরাং এর ফলে উন্নতি খুব বেশি হবে না।

ইলেক্ট্রন টাইকোগ্রাফির এই সর্বশেষ রূপটি গবেষকদের পৃথক পরমাণুগুলিকে থ্রিডি তে সনাক্ত করতে সক্ষম করবে যেখানে তারা অন্যান্য ইমেজিং পদ্ধতি ব্যবহার করলে অনেককিছু লুকানো থাকতো।

আবার এটা দিয়ে একসাথে অস্বাভাবিক কনফিগারেশনের অশুদ্ধ পরমাণু খুঁজতে এবং সেগুলির কম্পনের চিত্র ক্যাপচার করতে সক্ষম।

প্রফেসর মুলার বলেন

“আমরা এটি যা কিছু করি তার সবটুকু প্রয়োগ করতে চাই।

“এখন অবধি, আমরা ক্ষুত্র জগৎ দেখতে সবাই সত্যই খারাপ চশমা পরে এসেছি। কিন্তু এখন দেখার জন্য আমাদের সত্যই ভাল চশমা আছে।

“তো কেন পুরানো চশমাগুলি সরিয়ে, নতুন চশমা, নতুন পোষাক পড়বো না কেন?”

গবেষনা পত্রটি ২১শে মে, ২০২১ সালে Science জার্নালে প্রকাশিত হয়

গবেষনা পত্র: Electron ptychography achieves atomic-resolution limits set by lattice vibrations. Science (2021)
DOI: 10.1126/science.abg2533