ایٹم نیوکلئس کے ساتھ وقت رکھنا

جوہری گھڑیاں وقت کی پیمائش اس قدر درست طریقے سے کرتی ہیں کہ وہ ہر 30 بلین سال میں ایک سیکنڈ سے بھی کم فائدہ یا کھوتی ہیں۔ نام نہاد جوہری گھڑیوں کے ساتھ، وقت کی پیمائش اور بھی درست طریقے سے ممکن ہوگی۔ مزید برآں، وہ سائنس دانوں کو بنیادی جسمانی مظاہر کی گہرائی میں جانے کے قابل بنائیں گے۔ “ہم ان قوتوں کے بارے میں بات کر رہے ہیں جو دنیا کو اپنے مرکز میں رکھتی ہیں،” LMU کے ماہر طبیعیات پروفیسر پیٹر تھرولف کہتے ہیں، جو کئی سالوں سے جوہری گھڑیوں پر تحقیق کر رہے ہیں۔ روایتی جوہری گھڑیوں کے برعکس، اس قسم کی گھڑی ایٹمی نیوکلئس کے اندر قوتوں کو رجسٹر کرے گی۔ “یہ تحقیقی شعبوں کی ایک پوری رینج کو کھول دے گا جن کی کبھی بھی ایٹمی گھڑیوں سے تحقیق نہیں کی جا سکتی تھی،” تھیرولف کے ساتھی ڈاکٹر سینڈرو کریمر کہتے ہیں، جس نے بیلجیئم میں KU Leuven میں ڈاکٹریٹ کی ڈگری مکمل کرتے ہوئے اس منصوبے کو آگے بڑھانے میں اہم کردار ادا کیا۔

نیوکلیئر ٹائم کی دوڑ میں تھیرولف اور کریمر سب سے آگے ہیں۔ گارچنگ میں تجرباتی طبیعیات کی چیئر پر کام کرتے ہوئے، دونوں سائنسدانوں نے اب ایک بین الاقوامی ٹیم کے حصے کے طور پر پہلی جوہری گھڑی کے راستے پر ایک اہم پیش رفت کی ہے۔ جیسا کہ وہ جریدے میں رپورٹ کرتے ہیں۔ فطرت، انہوں نے ایک نئے تجرباتی نقطہ نظر کی بدولت thorium-229 کی حوصلہ افزائی کی توانائی کو بہت درستگی کے ساتھ نمایاں کرنے میں کامیاب کیا ہے۔ اس جوہری مرکز کو مستقبل میں جوہری گھڑیوں کے ٹائم کیپنگ عنصر کے طور پر استعمال کیا جانا ہے۔ اتیجیت کے لیے کس فریکوئنسی کی ضرورت ہے اس کا قطعی علم ٹیکنالوجی کی فزیبلٹی کے لیے بہت ضروری ہے۔

سب سے اندرونی گھڑی

ایک گھڑی کے لیے، آپ کو کسی ایسی چیز کی ضرورت ہوتی ہے جو وقتاً فوقتاً دوہراتی رہتی ہے اور ایسی چیز جو دولن کو شمار کرتی ہے۔ دادا کی گھڑی میں ایک مکینیکل پینڈولم ہوتا ہے، جس کے دوغلے گھڑی کے میکانزم کے ذریعے رجسٹر ہوتے ہیں۔ جوہری گھڑیوں میں، ایٹم شیل ٹائم کیپر کے طور پر کام کرتا ہے۔ الیکٹران پرجوش ہیں اور اعلی اور کم توانائی کی سطحوں کے درمیان آگے پیچھے سوئچ کرتے ہیں۔ پھر یہ ایٹم سے خارج ہونے والے روشنی کے ذرات کی تعدد کو گننے کا معاملہ ہے جب پرجوش الیکٹران اپنی زمینی حالت میں واپس آتے ہیں۔

جوہری گھڑیوں میں، بنیادی اصول بہت ملتا جلتا ہے۔ اس صورت میں، ہم ایٹم کے مرکزے میں داخل ہوتے ہیں، جہاں توانائی کی مختلف حالتیں بھی مل سکتی ہیں۔ اگر ہم ایک لیزر کے ذریعے ان کو درست طریقے سے اکسانے میں کامیاب ہو جائیں اور نیوکلیئس سے خارج ہونے والی تابکاری کو اس کی زمینی حالت میں واپس گرنے کی پیمائش کریں، تو ہمارے پاس ایک جوہری گھڑی ہوگی۔ مشکل یہ ہے کہ سائنس کو معلوم تمام ایٹمی مرکزوں میں سے، صرف ایک ہی ہے جو خود کو اس مقصد کے لیے قرض دے سکتا ہے: تھوریم-229۔ اور یہاں تک کہ یہ ایک طویل عرصے تک خالصتاً نظریاتی تھا۔

ایک نیوکلئس جیسا کہ کوئی اور نہیں۔

جو چیز thorium-229 کو بہت خاص بناتی ہے وہ یہ ہے کہ اس کے مرکزے کو نسبتاً کم روشنی کی فریکوئنسی کا استعمال کرتے ہوئے ایک پرجوش حالت میں رکھا جا سکتا ہے — ایک فریکوئنسی جو UV لیزرز کے ساتھ حاصل کی جا سکتی ہے۔ تحقیق 40 سال تک رکی، کیونکہ اگرچہ سائنسدانوں کو شبہ تھا کہ صحیح خصوصیات کے ساتھ ایک ایٹم نیوکلئس موجود ہے، لیکن وہ تجرباتی طور پر اس مفروضے کی تصدیق کرنے سے قاصر تھے۔ اور پھر 2016 میں، ایل ایم یو میں تھیرولف کے ریسرچ گروپ نے ایک پیش رفت کی جب انہوں نے براہ راست تھوریم-229 کے مرکزے کی پرجوش حالت کی تصدیق کی۔ اس نے ایٹمی گھڑی کی دوڑ پر شروع ہونے والی بندوق کو فائر کردیا۔ اس دوران، دنیا بھر میں کئی گروہوں نے اس موضوع کو اٹھایا ہے۔

گھڑی کو آگے بڑھانے کے لیے، ٹائم کیپنگ عنصر اور گھڑی کے کام کو ایک دوسرے سے مکمل طور پر ہم آہنگ کرنے کی ضرورت ہے۔ جوہری گھڑی کے معاملے میں، اس کا مطلب ہے کہ آپ کو یہ جاننے کی ضرورت ہے کہ تھوریم-229 کا ایٹم نیوکلئس کس عین تعدد پر دوہرتا ہے۔ اس کے بعد ہی آپ ایسے لیزرز تیار کر سکتے ہیں جو بالکل اس فریکوئنسی کو پرجوش کرتے ہیں۔ کریمر بتاتے ہیں، “آپ اسے ٹیوننگ فورک کی طرح تصور کر سکتے ہیں۔ “جیسا کہ ایک موسیقی کا آلہ ٹیوننگ فورک کی فریکوئنسی سے ملنے کی کوشش کرتا ہے، اسی طرح لیزر تھوریم نیوکلئس کی فریکوئنسی کو مارنے کی کوشش کرتا ہے۔”

اگر آپ مختلف لیزرز کے ساتھ تمام ممکنہ تعدد کو آزمانا چاہتے ہیں، تو اس میں ہمیشہ وقت لگے گا۔ یہ ذکر کرنے کی ضرورت نہیں ہے کہ لیزرز کو پہلے اسی UV لائٹ سپیکٹرم میں محنت سے تیار کرنا پڑے گا۔ اس حد کو کم کرنے کے لیے جس میں تھوریم-229 کی دوغلی فریکوئنسی موجود ہے، اس لیے محققین نے ایک مختلف طریقہ اختیار کیا۔ “فطرت بعض اوقات مہربان ہوتی ہے اور ہمیں مختلف راستے فراہم کرتی ہے،” تھیرولف کہتے ہیں۔ جیسا کہ یہ ہوتا ہے، لیزر تھوریم نیوکلئس کی پرجوش حالت پیدا کرنے کا واحد طریقہ نہیں ہیں۔ یہ اس وقت بھی ہوتا ہے جب تابکار نیوکلی thorium-229 میں ٹوٹ جاتا ہے۔ “لہذا ہم تھوریم کے دادا دادی اور پردادا کے ساتھ شروع کرتے ہیں، جیسا کہ یہ تھا۔”

آئی ایس او ایل ڈی ای نئے راستے بنا رہا ہے۔

ان اجداد کو francium-229 اور radium-229 کہا جاتا ہے۔ چونکہ فطرت میں دونوں میں سے کوئی بھی آسانی سے نہیں پایا جاتا ہے، انہیں مصنوعی طور پر تیار کرنا پڑتا ہے۔ اس وقت دنیا میں بہت کم جگہیں ایسی ہیں جو ایسا کرنے کی اہلیت رکھتی ہیں۔ ان میں سے ایک جنیوا میں یورپین آرگنائزیشن فار نیوکلیئر ریسرچ (سی ای آر این) کی آئی ایس او ایل ڈی ای لیبارٹری ہے، جس نے ایک عنصر کو دوسرے عنصر میں تبدیل کرنے کے کیمیا دانوں کے پرانے خواب کو ممکن بنایا ہے۔ اس کو پورا کرنے کے لیے، سائنس دان یورینیم نیوکلی پر بمباری کرتے ہیں جن میں پروٹون کی رفتار انتہائی تیز ہوتی ہے، اس طرح فرانسیم اور ریڈیم سمیت مختلف نئے مرکزے پیدا ہوتے ہیں۔ یہ عناصر تھوریم-229: ایکٹینیم-229 کے تابکار پیرنٹ نیوکلئس میں تیزی سے زوال پذیر ہوتے ہیں۔

Kraemer، Thirolf، اور ان کے بین الاقوامی ساتھیوں نے اس وسیع پیمانے پر تیار کردہ ایکٹینیم کو خصوصی کرسٹل میں سرایت کیا، جہاں ایکٹینیم پرجوش حالت میں تھوریئم میں گر جاتا ہے۔ جب تھوریم واپس اپنی زمینی حالت میں چھلانگ لگاتا ہے، تو یہ روشنی کے ذرات خارج کرتا ہے جن کی فریکوئنسی جوہری گھڑی کی نشوونما کے لیے بہت اہم ہے۔ تاہم، اس کا مظاہرہ کرنا کوئی معمولی کام نہیں ہے۔ کریمر کہتے ہیں، “اگر مرکزہ کرسٹل میں بالکل صحیح جگہ پر نہیں بیٹھتا ہے، تو ہمیں کوئی موقع نہیں ملے گا۔” “ماحول میں موجود الیکٹران توانائی کو جذب کرتے ہیں اور جس چیز کی ہم پیمائش کر سکتے ہیں وہ اسے باہر نہیں بناتا۔”

ایکٹینیم کے بجائے کرسٹل جالی میں یورینیم ڈالنے والی پچھلی کوششیں اس رکاوٹ پر گر گئیں۔ “جب یورینیم-233 تھوریم-229 میں گر جاتا ہے، تو ایک پیچھے ہٹنا پیدا ہوتا ہے جو کرسٹل میں تباہی مچا دیتا ہے،” تھیرولف بتاتے ہیں۔ اس کے برعکس تھوریم میں ایکٹینیم کا زوال بہت کم نقصان کا باعث بنتا ہے، یہی وجہ ہے کہ محققین نے CERN کے ساتھ مل کر نئی تحقیق کے لیے اس محنت کش راستے کا انتخاب کیا۔

محنت اور صبر کا نتیجہ نکلا ہے: اپنے نئے طریقہ کار کے ساتھ، ٹیم ریاست کی منتقلی کی توانائی کا بہت درست طریقے سے تعین کرنے میں کامیاب رہی۔ انہوں نے یہ بھی ظاہر کیا کہ کرسٹل میں شامل تھوریم پر مبنی جوہری گھڑی ممکن ہے۔ اس طرح کی ٹھوس ریاست پر مبنی گھڑیوں کو دوسرے طریقوں کے مقابلے میں فائدہ ہوگا کہ وہ پیمائش کے نتائج بہت تیزی سے حاصل کریں گے، کیونکہ وہ بڑی تعداد میں جوہری مرکز کے ساتھ کام کرتے ہیں۔

وقت کی بات

تھرولف کا کہنا ہے کہ “اب ہمیں معلوم ہے کہ ہمیں کتنی طول موج کی ضرورت ہے۔” درست منتقلی توانائی کو بتدریج کم کرنے کے لیے نئی دریافتوں پر استوار کرنا اگلا کام ہوگا۔ سب سے پہلے، محققین ایک لیزر کے ساتھ ایک حوصلہ افزائی پیدا کریں گے. اور پھر وہ زیادہ درست لیزرز کے ساتھ بڑھتی ہوئی درستگی کے ساتھ فریکوئنسی پر گھر کرتے رہ سکتے ہیں۔ تاکہ اس میں زیادہ وقت نہ لگے، وہ گھاس کے ڈھیر میں سوئی تلاش کرنے کے لیے چمٹی کا استعمال نہیں کرتے، اس لیے بولنے کے لیے، بلکہ ایک ریک۔ اس ‘ریک’ کو “تعدد کنگھی” کہا جاتا ہے اور اسے تھرولف کے ایل ایم یو کے ساتھی پروفیسر تھیوڈور ہانش نے تیار کیا تھا، جنھیں اس کارنامے پر 2005 میں فزکس کا نوبل انعام ملا تھا۔ سائنس دان کنگھی کو بیک وقت لاکھوں طول موجوں کو اسکین کرنے کے لیے استعمال کر سکتے ہیں جب تک کہ وہ صحیح تلاش نہ کر لیں۔

جوہری گھڑیوں کے راستے پر کچھ چیلنجز باقی ہیں۔ سائنسدانوں کو تھوریم آئیسومر کو بہتر طور پر سمجھنا چاہیے، لیزر تیار کرنا چاہیے، نظریات پر کام کرنا چاہیے۔ “لیکن یہ کورس پر قائم رہنے کے قابل ہے،” تھیرولف کا خیال ہے۔ کریمر نے مزید کہا کہ “یہ منصوبہ طویل مدت میں ایپلیکیشن کے نئے امکانات کی اتنی بڑی تعداد کو کھولتا ہے کہ یہ تمام تجرباتی کوششوں کے قابل ہے۔” یہ نئے امکانات نہ صرف بنیادی طبیعیات کی تحقیق بلکہ عملی ایپلی کیشنز کو بھی شامل کرتے ہیں۔ جوہری گھڑی کے ذریعے، سائنس دان زمین کی کشش ثقل کے میدان میں سب سے چھوٹی تبدیلیوں کا پتہ لگا سکتے ہیں، جیسے کہ ٹیکٹونک پلیٹوں کی تبدیلی یا آتش فشاں پھٹنے سے پہلے۔ نئی کامیابیوں کے ساتھ، انعام بازو کی پہنچ میں ہے۔ پہلی پروٹو ٹائپ دس سال سے بھی کم عرصے میں یہاں آ سکتی ہے۔ دو طبیعیات دانوں کو امید ہے کہ “ہم انہیں 2030 میں دوسرے کی نئی تعریف کے لیے وقت پر تیار کر سکتے ہیں۔” وہ ایک سیکنڈ کی ایک نئی، زیادہ درست معیاری تعریف کے ساتھ آنے کے منصوبوں کا حوالہ دے رہے ہیں، جس کے لیے سائنس دان جدید ترین ایٹمی گھڑیاں استعمال کریں گے — اور شاید پہلی ایٹمی گھڑیاں بھی۔