আল্ট্রাফাস্ট সায়েন্সের একটি বড় স্বপ্ন হলো ন্যানো পার্টিকেল বা বায়োমোলিকিউলের পরিবর্তনগুলি তাদের প্রাকৃতিক সময়স্কেলে পর্যবেক্ষণ করা। পরীক্ষামূলকভাবে, এটি একই বস্তুর দুটি স্ন্যাপশট মাত্র কয়েক ফেমটোসেকেন্ড ব্যবধানে নেওয়ার মাধ্যমে সম্ভব। কিন্তু কোনো ডিটেক্টর এত দ্রুত নয় যে দুটি স্ন্যাপশট আলাদাভাবে রেকর্ড করতে পারে—সেগুলি একক ইমেজে একে অপরের ওপর চাপা পড়ে যায়।

বিজ্ঞানীরা এখন দুটি পরিপূরক পদ্ধতি ব্যবহার করে একই এক্স-রে ডিটেক্টর দ্বারা ধারণ করা দুটি ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন আলাদা করছেন। একটি আন্তর্জাতিক গবেষক দলের ফলাফল ন্যাচার কমিউনিকেশনস-এ দুটি পৃথক নিবন্ধে প্রকাশিত হয়েছে।

ইউরোপিয়ান XFEL-এর একটি নতুন সক্ষমতা সম্প্রতি ন্যানোস্কেল মুভি বাস্তবায়নের দিকে একটি বড় পদক্ষেপ সক্ষম করেছে: এক্স-রে লেজার দুটি ভিন্ন রঙের ধারাবাহিক ফ্ল্যাশ তৈরি করতে পারে যা একটি পার্টিকেলকে ফেমটোসেকেন্ডের মধ্যে দুবার ইমেজ করার জন্য যথেষ্ট উজ্জ্বল। দুটি ইমেজ আলাদা করার উভয় পদ্ধতিই এই ভিন্ন রঙ বা ফোটন শক্তির সুবিধা নেয়: একটি পদ্ধতি প্রতিটি পৃথক পিক্সেলের জন্য শক্তির মাত্রা চিহ্নিত করার ডিটেক্টরের ক্ষমতাকে কাজে লাগায়, অন্যটি গাণিতিক পুনর্গঠন ব্যবহার করে। এর উদ্ভাবকরা দ্বিতীয় পদ্ধতিটির নাম দিয়েছেন ডাইকোগ্রাফি (dichography)।

একজন শীর্ষস্থানীয় বিজ্ঞানী এই কৌশলটিকে একটি অত্যন্ত উচ্চ-গতির ক্যামেরার সঙ্গে তুলনা করেছেন। “আমার জানা মতে, এগুলো এখন পর্যন্ত রেকর্ড করা দ্রুততম ন্যানোস্কেল মুভি, যদি মুভি বলতে আমরা একই বস্তুর একাধিক ফ্রেম বুঝি,” বলেছেন সুইজারল্যান্ডের ইটিএইচ জুরিখের পদার্থবিদ্যা বিভাগের আলেসান্দ্রো কলম্বো।

“এটি ন্যানো পার্টিকেলের দ্রুত পরিবর্তন পর্যবেক্ষণের দরজা খুলে দেয়, যা কিছু সময় ধরে ছোট অণুর সাথে সম্ভব হয়েছে এমন গবেষণার মতো,” বলেছেন ইউরোপিয়ান XFEL-এর স্মল কোয়ান্টাম সিস্টেমস (SQS) ইন্সট্রুমেন্টের বিজ্ঞানী এবং গবেষণার প্রধান অনুসন্ধানকারী ইয়েভেনি ওভচারেঙ্কো। “এই ন্যানো পার্টিকেলগুলি পৃথক অণুর তুলনায় কম অভিন্ন, যা একই নমুনা ব্যবহার করে প্রক্রিয়াগুলি পর্যবেক্ষণ করা প্রয়োজনীয় করে তোলে।”

কেন একই পার্টিকেল গুরুত্বপূর্ণ

রাসায়নিক প্রক্রিয়াগুলি অনুসরণ করে এমন পৃথক অণুর পরীক্ষাগুলি সাধারণত একটি ট্রিগার ইভেন্টের পরে বিভিন্ন সময় বিলম্বে বিভিন্ন নমুনার পর্যবেক্ষণের সিরিজের উপর নির্ভর করে। যে পার্টিকেলগুলি আকার, আকৃতি, অভিযোজন বা অভ্যন্তরীণ গঠনে ভিন্ন হতে পারে, তাদের জন্য সেই পদ্ধতি সুনির্দিষ্ট ফলাফল দেয় না।

একই পার্টিকেলের দুটি এক্স-রে ক্যাপচার, একটি পরিবর্তনশীল সময় বিলম্বে নেওয়া, গবেষকদের একটি অনন্য ঘটনা সরাসরি অনুসরণ করতে শুরু করতে দেয়, যেমন একটি প্রসারিত ন্যানোপ্লাজমা, একটি ভেঙে যাওয়া ক্লাস্টার বা আলো দ্বারা ট্রিগার হওয়া একটি কাঠামোগত পুনর্বিন্যাস। “আমরা একটি নতুন ধরণের গবেষণার সূচনা বিন্দুতে আছি,” যোগ করেন ক্যাসেল বিশ্ববিদ্যালয়ের মার্সেল মুডরিচ, যিনি তার এসকিউএস সহকর্মীর সাথে পরীক্ষাটি প্রস্তাব করেছিলেন।

“আমাদের এখন ফ্রি-ইলেক্ট্রন লেজার রয়েছে যা বিভিন্ন ‘রঙের’ এক্স-রে পাল্সের জোড়া তৈরি করতে পারে। আমাদের কাছে ডিটেক্টর রয়েছে যা বিক্ষিপ্ত এক্স-রে আলোর রঙের ভিত্তিতে ইমেজগুলির মধ্যে পার্থক্য করে, এবং আমাদের কাছে রেকর্ড করা এক্স-রে স্ন্যাপশটগুলি থেকে পৃথক পার্টিকেলের আকৃতি পুনর্গঠনের বিশ্লেষণ সরঞ্জাম রয়েছে।”

ডিটেক্টরে রঙ আলাদা করা

রঙ-বিচ্ছেদ এবং ডাইকোগ্রাফি পদ্ধতিগুলির কার্যকারিতা বিকাশ এবং প্রমাণ করতে, বিজ্ঞানীরা ইউরোপিয়ান XFEL-এর SQS ইন্সট্রুমেন্ট ব্যবহার করেছেন। সুবিধাটির আনডুলেটরগুলির দুটি অংশ—মোট ১২০ মিটার দীর্ঘ এক্স-রে আলোর উৎস—ভিন্ন এক্স-রে ফোটন শক্তিতে (প্রায় ১.০ এবং ১.২ কিলোইলেক্ট্রনভোল্ট) বা “রঙে” সুর করা হয়েছিল, দুটি এক্স-রে পাল্স তৈরি করে।

দ্বিতীয় এক্স-রে পাল্সটি প্রথমটির কয়েক দশ থেকে কয়েকশ ফেমটোসেকেন্ড পরে নির্গত হয়েছিল। উভয় পাল্সকে তখন উড়ন্ত হিলিয়াম ন্যানোড্রপলেটের উপর ফোকাস করা হয়েছিল এবং বিক্ষিপ্ত এক্স-রে একটি pnCCD ডিটেক্টরে রেকর্ড করা হয়েছিল।

এই ডিভাইসটি আগত ফোটন দ্বারা সৃষ্ট চার্জ পরিমাপ করে, যা প্রতিটি পিক্সেলে তাদের শক্তি অনুমান করা সম্ভব করে। প্রতিটি পিক্সেল এবং ছোট পিক্সেল ক্লাস্টারে জমা হওয়া চার্জ বিশ্লেষণ করে, দলটি অনেক সনাক্ত করা ফোটনকে প্রথম বা দ্বিতীয় এক্স-রে পাল্সের জন্য নির্ধারণ করতে সক্ষম হয়েছিল।

“এটি শোনার চেয়ে বেশি জটিল,” বলেছেন মাইকেল মেয়ার, SQS ইন্সট্রুমেন্টের লিড সায়েন্টিস্ট এবং গ্রুপ লিডার এবং প্রকাশনার একজন লেখক, “কারণ আমাদের অনেক ফোটন আছে। একটি পিক্সেল প্রথম পাল্স থেকে একটি ফোটন এবং দ্বিতীয় পাল্স থেকে একাধিক ফোটন সংগ্রহ করতে পারে। তা ছাড়া, একটি ফোটন একাধিক পিক্সেলকে আলোকিত করতে পারে।”

ইটিএইচ জুরিখের পিএইচডি প্রার্থী এবং প্রকাশনার প্রথম লেখক লিনোস হেক্ট জোর দিয়ে বলেন যে “পদ্ধতিটি খুব নমনীয়, কারণ এটি কোনো নির্দিষ্ট নমুনা বৈশিষ্ট্যের উপর নির্ভর করে না। অধিকন্তু, এটি বিক্ষিপ্ত কোণে ডিটেক্টরের কম আলোকিত এলাকায় সবচেয়ে ভালো কাজ করে, যেখানে সবচেয়ে মূল্যবান উচ্চ-রেজোলিউশন তথ্য সংরক্ষিত থাকে।”

একটি প্যাটার্ন থেকে দুটি দৃশ্য পুনর্গঠন

পিক্সেল-স্তরের রঙ বিচ্ছেদ পরীক্ষামূলক ধারণার প্রমাণ প্রদান করেছে। দ্বিতীয় পদক্ষেপটি আরও উচ্চাভিলাষী ছিল: সনাক্ত করা ফোটনগুলিকে রঙ দ্বারা বাছাই করার পরিবর্তে, গবেষকরা একটি মিশ্র ডিফ্র্যাকশন প্যাটার্ন থেকে নমুনার দুটি প্রকৃত ইমেজ পুনরুদ্ধার করার লক্ষ্য রেখেছিলেন। এটি ডাইকোগ্রাফির পিছনে ধারণা, যা একটি সহচর গবেষণায় বিকশিত হয়েছে।

পদ্ধতিটি পুনরাবৃত্তিমূলক ফেজ-পুনরুদ্ধার অ্যালগরিদম ব্যবহার করে দুটি পৃথক কাঠামো খুঁজে বের করে যাদের ডিফ্র্যাকশন তীব্রতা পরিমাপ করা সংকেতের সমষ্টি দেয়। ইউরোপিয়ান XFEL ডেটাতে, দলটি ৫০ এবং ৭৫০ ফেমটোসেকেন্ডের বিলম্বে একক ওভারল্যাপিং প্যাটার্ন থেকে একটি হিলিয়াম ন্যানোড্রপলেটের দুটি সময়-বিচ্ছিন্ন দৃশ্য পুনর্গঠন করেছে, যাতে জেনন কণা ছিল।

দুই-ফ্রেমের মুভিগুলি দেখিয়েছে যে এমবেডেড জেনন ন্যানোক্লাস্টারগুলি মূলত অপরিবর্তিত ছিল: যদিও তীব্র আলো কণাগুলিকে বিস্ফোরিত করতে পারে, প্রক্রিয়াটি পর্যবেক্ষণ করা সময়ের মধ্যে সবেমাত্র শুরু হয়েছিল।

পরীক্ষাগুলি এবং সহগামী সিমুলেশনগুলি আরও দেখিয়েছে যে সমস্যাটি কঠিন রয়ে গেছে: ডাইকোগ্রাফি কেবল তখনই কাজ করে যখন ডেটা যথেষ্ট উজ্জ্বল হয় এবং দুটি রঙের অবদান যুক্তিসঙ্গতভাবে ভারসাম্যপূর্ণ হয়।

“আমি ইতিবাচক যে ইউরোপিয়ান XFEL-এর মতো সুবিধাগুলিতে অব্যাহত উন্নয়ন সীমাবদ্ধতাগুলিকে ক্রমশ কম সমস্যা করবে এবং আমাদের পদ্ধতিকে আরও প্রযোজ্য করে তুলবে,” কলম্বো বলেন। “আমরা একটি নতুন বৈজ্ঞানিক অভিযানে যাত্রা করছি, যা পৃথক ন্যানো পার্টিকেলের অতি-দ্রুত কাঠামোগত পরিবর্তনের চিত্রগ্রহণের স্বপ্নকে অবশেষে সত্যি করে তুলবে।”