Diamonds are this Physicist’s Best Friend

ವಜ್ರಗಳು ಈ ಭೌತಶಾಸ್ತ್ರಜ್ಞನ ಅತ್ಯುತ್ತಮ ಸ್ನೇಹಿತ

There, he had been treated ‘as a son-in-law is treated by a father-in-law’, in this country. (Laughter). They had taken him to a chamber, which looked like Alladin’s dreams come true. They had, “let him play here with diamonds as a child plays with toys”. On parting, he had found that they had put in his pockets a handful of diamonds.
ಅಲ್ಲಿ ಅವರನ್ನು ಈ ದೇಶದಲ್ಲಿ ‘ಅಳಿಯನನ್ನು ಮಾವ ನಡೆಸಿಕೊಳ್ಳುವಂತೆ’ ನಡೆಸಿಕೊಳ್ಳಲಾಗಿತ್ತು. (ನಗು). ಅವರು ಅವನನ್ನು ಒಂದು ಕೋಣೆಗೆ ಕರೆದೊಯ್ದರು, ಅದು ಅಲ್ಲಾದೀನ್ನ ಕನಸುಗಳು ನನಸಾಗುವಂತೆ ತೋರುತ್ತಿತ್ತು. "ಮಗುವು ಆಟಿಕೆಗಳೊಂದಿಗೆ ಆಡುವಂತೆ ಅವನು ಇಲ್ಲಿ ವಜ್ರಗಳೊಂದಿಗೆ ಆಡಲಿ" ಎಂದು ಅವರು ಹೊಂದಿದ್ದರು. ಬೇರ್ಪಟ್ಟಾಗ, ಅವರು ತಮ್ಮ ಜೇಬಿನಲ್ಲಿ ಕೈಬೆರಳೆಣಿಕೆಯಷ್ಟು ವಜ್ರಗಳನ್ನು ಹಾಕಿರುವುದನ್ನು ಅವರು ಕಂಡುಕೊಂಡರು.
The modes of vibration could be illustrated by a military analogy. The essence of an army is lining up regularity and order as on a parade ground. The crystal is like an army on the parade ground. The vibrations are all regular and orderly, lattices vibrating as a whole.
ಕಂಪನದ ವಿಧಾನಗಳನ್ನು ಮಿಲಿಟರಿ ಸಾದೃಶ್ಯದಿಂದ ವಿವರಿಸಬಹುದು. ಪರೇಡ್ ಮೈದಾನದಲ್ಲಿರುವಂತೆ ಕ್ರಮಬದ್ಧತೆ ಮತ್ತು ಕ್ರಮವನ್ನು ಜೋಡಿಸುವುದು ಸೇನೆಯ ಮೂಲತತ್ವ. ಪರೇಡ್ ಮೈದಾನದಲ್ಲಿ ಸ್ಫಟಿಕ ಸೇನೆಯಂತಿದೆ. ಕಂಪನಗಳು ಎಲ್ಲಾ ನಿಯಮಿತ ಮತ್ತು ಕ್ರಮಬದ್ಧವಾಗಿವೆ, ಲ್ಯಾಟಿಸ್‌ಗಳು ಒಟ್ಟಾರೆಯಾಗಿ ಕಂಪಿಸುತ್ತವೆ.

Crystal Dynamics of diamond

ವಜ್ರದ ಕ್ರಿಸ್ಟಲ್ ಡೈನಾಮಿಕ್ಸ್

From the 1930s, Raman’s study of the diamond expanded in another area—that of crystal dynamics. Simply put, it was an area of study which explored the vibrations of atoms and molecules which were part of the crystal. In approaching a related problem (dealing with the specific heat of solids), Albert Einstein theorised that atoms in a solid vibrate independently, when excited. This would mean that the solid would vibrate at one specific frequency. In 1912, the physicist Peter Debye reasoned that atoms in a solid do not vibrate independently. Instead, he theorised that the atoms would be coupled with each other and therefore vibrations would be propagated as waves. Considering all atoms of a solid to be part of an elastic continuum, would also result in a continuous frequency spectrum instead of a single specific frequency. However, applying his ideas to crystals, would mean discounting their lattice structures.”

1930 ರ ದಶಕದಿಂದ, ರಾಮನ್ ಅವರ ವಜ್ರದ ಅಧ್ಯಯನವು ಮತ್ತೊಂದು ಪ್ರದೇಶದಲ್ಲಿ ವಿಸ್ತರಿಸಿತು - ಅದು ಸ್ಫಟಿಕ ಡೈನಾಮಿಕ್ಸ್. ಸರಳವಾಗಿ ಹೇಳುವುದಾದರೆ, ಇದು ಸ್ಫಟಿಕದ ಭಾಗವಾಗಿರುವ ಪರಮಾಣುಗಳು ಮತ್ತು ಅಣುಗಳ ಕಂಪನಗಳನ್ನು ಪರಿಶೋಧಿಸುವ ಅಧ್ಯಯನದ ಕ್ಷೇತ್ರವಾಗಿದೆ. ಸಂಬಂಧಿತ ಸಮಸ್ಯೆಯನ್ನು ಸಮೀಪಿಸುತ್ತಿರುವಾಗ (ಘನವಸ್ತುಗಳ ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಶಾಖದೊಂದಿಗೆ ವ್ಯವಹರಿಸುವಾಗ), ಆಲ್ಬರ್ಟ್ ಐನ್‌ಸ್ಟೈನ್ ಘನವಸ್ತುದಲ್ಲಿರುವ ಪರಮಾಣುಗಳು ಉತ್ಸುಕರಾದಾಗ ಸ್ವತಂತ್ರವಾಗಿ ಕಂಪಿಸುತ್ತವೆ ಎಂದು ಸಿದ್ಧಾಂತ ಮಾಡಿದರು. ಇದರರ್ಥ ಘನವು ಒಂದು ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಆವರ್ತನದಲ್ಲಿ ಕಂಪಿಸುತ್ತದೆ. 1912 ರಲ್ಲಿ, ಭೌತಶಾಸ್ತ್ರಜ್ಞ ಪೀಟರ್ ಡೆಬೈ ಘನವಸ್ತುಗಳಲ್ಲಿನ ಪರಮಾಣುಗಳು ಸ್ವತಂತ್ರವಾಗಿ ಕಂಪಿಸುವುದಿಲ್ಲ ಎಂದು ವಾದಿಸಿದರು. ಬದಲಾಗಿ, ಪರಮಾಣುಗಳು ಒಂದಕ್ಕೊಂದು ಸೇರಿಕೊಂಡಿರುತ್ತವೆ ಮತ್ತು ಆದ್ದರಿಂದ ಕಂಪನಗಳು ಅಲೆಗಳಾಗಿ ಹರಡುತ್ತವೆ ಎಂದು ಅವರು ಸಿದ್ಧಾಂತ ಮಾಡಿದರು. ಘನವೊಂದರ ಎಲ್ಲಾ ಪರಮಾಣುಗಳನ್ನು ಸ್ಥಿತಿಸ್ಥಾಪಕ ನಿರಂತರತೆಯ ಭಾಗವಾಗಿ ಪರಿಗಣಿಸಿದರೆ, ಒಂದು ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಆವರ್ತನದ ಬದಲಿಗೆ ನಿರಂತರ ಆವರ್ತನ ವರ್ಣಪಟಲಕ್ಕೆ ಕಾರಣವಾಗುತ್ತದೆ. ಆದಾಗ್ಯೂ, ಅವರ ಆಲೋಚನೆಗಳನ್ನು ಸ್ಫಟಿಕಗಳಿಗೆ ಅನ್ವಯಿಸುವುದು, ಅವುಗಳ ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ರಚನೆಗಳನ್ನು ರಿಯಾಯಿತಿ ಮಾಡುವುದು ಎಂದರ್ಥ.

There, he had been treated ‘as a son-in-law is treated by a father-in-law’, in this country. (Laughter). They had taken him to a chamber, which looked like Alladin’s dreams come true. They had, “let him play here with diamonds as a child plays with toys”. On parting, he had found that they had put in his pockets a handful of diamonds.
ಅಲ್ಲಿ ಅವರನ್ನು ಈ ದೇಶದಲ್ಲಿ ‘ಅಳಿಯನನ್ನು ಮಾವ ನಡೆಸಿಕೊಳ್ಳುವಂತೆ’ ನಡೆಸಿಕೊಳ್ಳಲಾಗಿತ್ತು. (ನಗು). ಅವರು ಅವನನ್ನು ಒಂದು ಕೋಣೆಗೆ ಕರೆದೊಯ್ದರು, ಅದು ಅಲ್ಲಾದೀನ್ನ ಕನಸುಗಳು ನನಸಾಗುವಂತೆ ತೋರುತ್ತಿತ್ತು. "ಮಗುವು ಆಟಿಕೆಗಳೊಂದಿಗೆ ಆಡುವಂತೆ ಅವನು ಇಲ್ಲಿ ವಜ್ರಗಳೊಂದಿಗೆ ಆಡಲಿ" ಎಂದು ಅವರು ಹೊಂದಿದ್ದರು. ಬೇರ್ಪಟ್ಟಾಗ, ಅವರು ತಮ್ಮ ಜೇಬಿನಲ್ಲಿ ಕೈಬೆರಳೆಣಿಕೆಯಷ್ಟು ವಜ್ರಗಳನ್ನು ಹಾಕಿರುವುದನ್ನು ಅವರು ಕಂಡುಕೊಂಡರು.

The Born-Raman controversy

ದಿ ಬರ್ನ್-ರಾಮನ್ ವಿವಾದ

Theoreticians Max Born and Theodore von Karman, were also studying the nature of vibrations in a crystal lattice. Like Debye, they accepted a model of vibrational waves. In addition, they factored in the lattice structures of crystals, instead of assuming the solid to be a simple continuum of atoms. To simplify their calculations, they applied to their theory a feature called cyclic boundary conditions. 

In reality, whenever we encounter a crystal—be it a grain of table salt or a diamond cut and set in a ring—there are always boundaries to the crystal. Shapes and sizes can vary, but a crystal is finite with specific edges or boundaries. In their calculations, Born and von Karman instead employ cyclic boundary conditions which assume an infinite chain of lattice structures to explain crystal dynamics.

Raman came to the problem of crystal dynamics from the vantage of a seasoned experimental scientist. In examining the spectrograph of diamonds, he observed sharp lines indicating vibrations at certain frequencies rather than a spectrum. Attempting to provide a theoretical framework to his observations, Raman proposes that the vibration of unit cells in the crystal give rise to the sharp frequencies that he has observed. Raman rejected Born and von Karman’s theory, chiding the “artificial” assumption of cyclic boundary conditions made by Born and von Karman.

ಸೈದ್ಧಾಂತಿಕರಾದ ಮ್ಯಾಕ್ಸ್ ಬಾರ್ನ್ ಮತ್ತು ಥಿಯೋಡರ್ ವಾನ್ ಕರ್ಮನ್ ಕೂಡ ಸ್ಫಟಿಕ ಜಾಲರಿಯಲ್ಲಿ ಕಂಪನಗಳ ಸ್ವರೂಪವನ್ನು ಅಧ್ಯಯನ ಮಾಡುತ್ತಿದ್ದರು. ಡೆಬಿಯಂತೆಯೇ, ಅವರು ಕಂಪನ ಅಲೆಗಳ ಮಾದರಿಯನ್ನು ಒಪ್ಪಿಕೊಂಡರು. ಇದರ ಜೊತೆಯಲ್ಲಿ, ಘನವನ್ನು ಪರಮಾಣುಗಳ ಸರಳ ನಿರಂತರತೆ ಎಂದು ಊಹಿಸುವ ಬದಲು ಸ್ಫಟಿಕಗಳ ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ರಚನೆಗಳಲ್ಲಿ ಅವು ಅಪವರ್ತನಗೊಂಡವು. ತಮ್ಮ ಲೆಕ್ಕಾಚಾರಗಳನ್ನು ಸರಳೀಕರಿಸಲು, ಅವರು ತಮ್ಮ ಸಿದ್ಧಾಂತಕ್ಕೆ ಆವರ್ತಕ ಗಡಿ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಗಳು ಎಂಬ ವೈಶಿಷ್ಟ್ಯವನ್ನು ಅನ್ವಯಿಸಿದರು.

ವಾಸ್ತವದಲ್ಲಿ, ನಾವು ಸ್ಫಟಿಕವನ್ನು ಎದುರಿಸಿದಾಗಲೆಲ್ಲಾ - ಅದು ಟೇಬಲ್ ಉಪ್ಪಿನ ಧಾನ್ಯವಾಗಿರಬಹುದು ಅಥವಾ ವಜ್ರವನ್ನು ಕತ್ತರಿಸಿ ಉಂಗುರದಲ್ಲಿ ಹೊಂದಿಸಲಾಗಿದೆ - ಸ್ಫಟಿಕಕ್ಕೆ ಯಾವಾಗಲೂ ಗಡಿಗಳಿರುತ್ತವೆ. ಆಕಾರಗಳು ಮತ್ತು ಗಾತ್ರಗಳು ಬದಲಾಗಬಹುದು, ಆದರೆ ಸ್ಫಟಿಕವು ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಅಂಚುಗಳು ಅಥವಾ ಗಡಿಗಳೊಂದಿಗೆ ಸೀಮಿತವಾಗಿರುತ್ತದೆ. ಅವರ ಲೆಕ್ಕಾಚಾರದಲ್ಲಿ, ಬಾರ್ನ್ ಮತ್ತು ವಾನ್ ಕರ್ಮನ್ ಅವರು ಸ್ಫಟಿಕ ಡೈನಾಮಿಕ್ಸ್ ಅನ್ನು ವಿವರಿಸಲು ಲ್ಯಾಟಿಸ್ ರಚನೆಗಳ ಅನಂತ ಸರಪಳಿಯನ್ನು ಊಹಿಸುವ ಆವರ್ತಕ ಗಡಿ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಗಳನ್ನು ಬಳಸುತ್ತಾರೆ.

ಅನುಭವಿ ಪ್ರಯೋಗಶೀಲ ವಿಜ್ಞಾನಿಯ ದೃಷ್ಟಿಕೋನದಿಂದ ರಾಮನ್ ಸ್ಫಟಿಕ ಡೈನಾಮಿಕ್ಸ್ ಸಮಸ್ಯೆಗೆ ಬಂದರು. ವಜ್ರಗಳ ಸ್ಪೆಕ್ಟ್ರೋಗ್ರಾಫ್ ಅನ್ನು ಪರೀಕ್ಷಿಸುವಾಗ, ಅವರು ಸ್ಪೆಕ್ಟ್ರಮ್ಗಿಂತ ಕೆಲವು ಆವರ್ತನಗಳಲ್ಲಿ ಕಂಪನಗಳನ್ನು ಸೂಚಿಸುವ ಚೂಪಾದ ರೇಖೆಗಳನ್ನು ಗಮನಿಸಿದರು. ರಾಮನ್ ತನ್ನ ಅವಲೋಕನಗಳಿಗೆ ಸೈದ್ಧಾಂತಿಕ ಚೌಕಟ್ಟನ್ನು ಒದಗಿಸಲು ಪ್ರಯತ್ನಿಸುತ್ತಾ, ಸ್ಫಟಿಕದಲ್ಲಿನ ಘಟಕ ಕೋಶಗಳ ಕಂಪನವು ತಾನು ಗಮನಿಸಿದ ತೀಕ್ಷ್ಣವಾದ ಆವರ್ತನಗಳಿಗೆ ಕಾರಣವಾಗುತ್ತದೆ ಎಂದು ಪ್ರಸ್ತಾಪಿಸುತ್ತಾನೆ. ರಾಮನ್ ಬಾರ್ನ್ ಮತ್ತು ವಾನ್ ಕರ್ಮನ್ ಅವರ ಸಿದ್ಧಾಂತವನ್ನು ತಿರಸ್ಕರಿಸಿದರು, ಬಾರ್ನ್ ಮತ್ತು ವಾನ್ ಕರ್ಮನ್ ಮಾಡಿದ ಆವರ್ತಕ ಗಡಿ ಪರಿಸ್ಥಿತಿಗಳ "ಕೃತಕ" ಊಹೆಯನ್ನು ನಿರಾಕರಿಸಿದರು.

This new theory of the solid state, as against the old theory of the 19th century, is bound to be an established and accepted fact in the scientific world. This is a revolutionary scientific truth.
 ಘನ ಸ್ಥಿತಿಯ ಈ ಹೊಸ ಸಿದ್ಧಾಂತವು 19 ನೇ ಶತಮಾನದ ಹಳೆಯ ಸಿದ್ಧಾಂತಕ್ಕೆ ವಿರುದ್ಧವಾಗಿ, ವೈಜ್ಞಾನಿಕ ಜಗತ್ತಿನಲ್ಲಿ ಸ್ಥಾಪಿತ ಮತ್ತು ಅಂಗೀಕರಿಸಲ್ಪಟ್ಟ ಸತ್ಯವಾಗಿದೆ. ಇದೊಂದು ಕ್ರಾಂತಿಕಾರಿ ವೈಜ್ಞಾನಿಕ ಸತ್ಯ.