Second harmonic generation from Chalcogenide metasurfaces via mode coupling engineering
यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि अमोर्फस चाल्कोजेनाइड मेटासरफेस, जिन्हें लैटिस और पार्टिकल रेजोनेंस को युग्मित करने के लिए इंजीनियर किया गया है, काफी उन्नत और ट्यूनेबल सेकंड हार्मोनिक जनरेशन प्राप्त करते हैं जो पारंपरिक प्लास्मोनिक और सिलिकॉन-आधारित संरचनाओं से बेहतर प्रदर्शन करता है, जिससे फ्लैट नॉनलीनियर ऑप्टिकल घटकों के लिए एक स्केलेबल समाधान मिलता है।
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प्रकाश केवल वह नहीं है जो हम देखते हैं; यह एक उपकरण है जिसका उपयोग वैज्ञानिक पदार्थ को नियंत्रित करने, सूचना प्रसारित करने और नए रंग बनाने के लिए करते हैं। ऑप्टिक्स (प्रकाशिकी) के क्षेत्र में, एक लंबे समय से चला आ रहा लक्ष्य भारी लेंसों और दर्पणों को रेत के दाने के आकार तक छोटा करना रहा है, जिससे ऐसी सपाट सतहें बनाई जा सकें जो अविश्वसनीय सटीकता के साथ प्रकाश को मोड़ सकें और केंद्रित कर सकें। वर्षों तक, शोधकर्ताओं ने इसे प्राप्त करने के लिए धातुओं पर भरोसा किया, लेकिन धातुओं में एक दोष है: वे प्रकाश को अवशोषित करते हैं और उसे ऊष्मा में बदल देते हैं, जिससे ऊर्जा नष्ट होती है। एक नया दृष्टिकोण पारदर्शी कांच या प्लास्टिक के छोटे द्वीपों का उपयोग करता है, जिन्हें डाइइलेक्ट्रिक (dielectrics) कहा जाता है, जो ऊष्मा की हानि के बिना प्रकाश को पकड़ सकते हैं और केंद्रित कर सकते हैं। जब इन द्वीपों को एक सटीक ग्रिड में व्यवस्थित किया जाता है, तो वे एक मेटासरफेस (metasurface) बनाते हैं, एक ऐसी सामग्री जो प्रकाश को उन तरीकों से नियंत्रित कर सकती है जैसा प्रकृति ने कभी नहीं सोचा था। हालाँकि, इन संरचनाओं को कुछ उपयोगी करने के लिए, जैसे कि प्रकाश की आवृत्ति को दोगुना करके उसका रंग बदलने के लिए, बनाना कठिन रहा है। इसके लिए एक नाजुक संतुलन की आवश्यकता होती है जहाँ प्रकाश तरंगें संरचना के भीतर बिल्कुल सही तरीके से उछलती-कूदती हैं, एक ऐसी स्थिति जिसे प्राप्त करना कठिन है और संरचना बनने के बाद उसे ट्यून करना और भी कठिन है।
स्विस फेडरल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, लॉज़ेन के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन प्रकाश-पकड़ने वाली संरचनाओं को बनाने का एक ऐसा तरीका खोजा है जिससे नियंत्रण का एक ऐसा स्तर प्राप्त हुआ है जो पहले पहुंच से बाहर था। उन्होंने चल्कोजेनाइड ग्लास (chalcogenide glass) नामक एक सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक प्रकार का अमोर्फस (amorphus) कांच है जो स्वाभाविक रूप से प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करने में बहुत अच्छा है, लेकिन इसे उन्नत ऑप्टिकल ट्रिक्स के लिए आवश्यक सटीक पैटर्न में ढालना कठिन था। हर एक विवरण को तराशने के लिए महंगी, धीमी और जटिल मशीनरी का उपयोग करने के बजाय, वैज्ञानिकों ने एक लचीला तरीका विकसित किया जो उन्हें कांच के द्वीपों के आकार और उनके बीच की दूरी को स्वतंत्र रूप से समायोजित करने की अनुमति देता है। केवल स्टैम्पिंग प्रक्रिया के दौरान लगाए गए दबाव को बदलकर और कांच की परतों को एक-एक करके जोड़कर, वे संरचना को तब तक सूक्ष्म रूप से ट्यून कर सके जब तक कि वह प्रकाश को पूरी तरह से पकड़ न ले। इस ट्यूनिंग ने एक शक्तिशाली प्रभाव को अनलॉक किया जहाँ प्रकाश तरंगें संरचना के भीतर एक-दूसरे को सुदृढ़ करती हैं, जिससे ऊर्जा का एक बड़ा उछाल पैदा होता है जो सामग्री को प्रकाश का एक नया रंग उत्पन्न करने की अनुमति देता है, विशेष रूप से एक ऐसा रंग जिसकी आवृत्ति आने वाली बीम से दोगुनी है।
प्रक्रिया एक मास्टर टेम्पलेट के साथ शुरू हुई, जो छोटे उल्टे पिरामिडों के पैटर्न वाला एक सिलिकॉन वेफर था। शोधकर्ताओं ने इस टेम्पलेट पर एक नरम, रबर जैसे स्टैम्प को दबाया और फिर इसे पॉलीकार्बोनेट प्लास्टिक की एक शीट पर दबाया। स्टैम्पिंग के दौरान लगाए गए दबाव को बदलकर, वे भविष्य के कांच के द्वीपों के बीच की दूरी को प्रभावी रूप से खींच या सिकोड़ सकते थे। यह पहला लीवर था जिसे उन्होंने खींचा। इसके बाद, उन्होंने टेक्सचर्ड प्लास्टिक पर सेलेनियम (selenium), जो एक प्रकार का चल्कोजेनाइड ग्लास है, की एक पतली फिल्म जमा की। जब उन्होंने प्लास्टिक को गर्म किया, तो कांच एक सपाट शीट के रूप में नहीं रहा; बल्कि, यह छोटे, गोल बूंदों में टूट गया, जिसे ड्यूवेटिंग (dewetting) नामक प्रक्रिया कहा जाता है। इस डिपोजिशन और हीटिंग चक्र को दोहराकर, वे नियंत्रित कर सके कि ये बूंदें कितनी बड़ी हुईं और वे एक-दूसरे के कितने करीब बैठीं। इस विधि की सुंदरता यह है कि इसने उन्हें ग्रिड के अंतराल और बूंदों के आकार को अलग-अलग समायोजित करने की अनुमति दी, जिससे उन्हें उस सटीक संयोजन को खोजने की अनूठी क्षमता मिली जहाँ प्रकाश सबसे मजबूती से गूँजता (resonate) है।
जब उन्होंने इन संरचनाओं का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि ग्रिड को कैसे ट्यून किया गया है, इसके आधार पर प्रकाश एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से व्यवहार करता है। यदि अंतराल और आकार बिल्कुल सही थे, तो व्यक्तिगत बूंदों से आने वाली प्रकाश तरंगें और ग्रिड लाइनों के बीच उछलने वाली तरंगें एक साथ जुड़ गईं। इसने एक तीव्र, उच्च-गुणवत्ता वाले रेजोनेंस (resonance) को जन्म दिया, एक ऐसी स्थिति जहाँ प्रकाश बाहर निकलने से पहले काफी समय तक फंसा और प्रवर्धित रहता है। शोधकर्ताओं ने देखा कि इस विशिष्ट ट्यूनिंग बिंदु पर, संरचना के भीतर प्रकाश का इलेक्ट्रिक फील्ड आसपास के स्थान की तुलना में लगभग सौ गुना अधिक मजबूत हो गया। ऊर्जा का यह तीव्र संकेंद्रण ही इस सामग्री को प्रकाश का रंग बदलने में इतना प्रभावी बनाता है। जब उन्होंने ट्यून की गई संरचना पर 700 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (wavelength) का लेजर बीम डाला, तो सामग्री ने 350 नैनोमीटर पर प्रकाश उत्सर्जित करके प्रतिक्रिया दी, जिसे सेकंड हार्मोनिक जनरेशन (second harmonic generation) कहा जाता है।
परिणाम आश्चर्यजनक थे। ट्यून की गई मेटासरफेस द्वारा उत्पन्न नए प्रकाश की मात्रा न केवल पहले की तुलना में थोड़ी बेहतर थी; बल्कि यह कई गुना अधिक थी। सिग्नल उसी कांच की एक साधारण, सपाट फिल्म द्वारा उत्पन्न किए जाने वाले सिग्नल से एक हजार गुना अधिक मजबूत था, और यह धातुओं या सिलिकॉन से बनी समान संरचनाओं में आमतौर पर देखे जाने वाले सिग्नल से भी एक हजार गुना अधिक मजबूत था। शोधकर्ताओं ने एक रूपांतरण दक्षता (conversion efficiency) मापी, जो नए बनाए गए प्रकाश और डाले गए प्रकाश का अनुपात है, जो लगभग दस लाख में एक थी। हालांकि यह संख्या छोटी लग सकती है, लेकिन यह इस प्रकार के सभी-डाइइलेक्ट्रिक डिवाइस के लिए एक बड़ी छलांग है, जो पारंपरिक धातु-आधारित डिजाइनों से काफी बेहतर प्रदर्शन करती है। उन्होंने यह भी पाया कि यदि वे इस पूर्ण बिंदु से थोड़ा हटकर ट्यून करते हैं, तो प्रभाव तेजी से गिर जाता है, जिससे पुष्टि होती है कि वृद्धि इस सटीक प्रकाश तरंगों के जुड़ाव से आई है।
यह समझने के लिए कि वास्तव में यह क्यों हुआ, टीम ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए जिन्होंने प्रकाश तरंगों के व्यवहार का मॉडल बनाया। इन सिमुलेशन ने दिखाया कि जादू दो अलग-अलग प्रकार के रेजोनेंस के बीच के जुड़ाव में निहित था: एक रेजोनेंस व्यक्तिगत कांच की बूंदों से आया जो छोटे एंटेना की तरह कार्य करती हैं, और दूसरा रेजोनेंस स्वयं ग्रिड पैटर्न से आया जो एक विवर्तन ग्रेटिंग (diffraction grating) की तरह कार्य करता है। जब शोधकर्ताओं ने संरचना को क्रिटिकल पॉइंट पर ट्यून किया, तो इन दो रेजोनेंस ने एक-दूसरे के साथ इस तरह हस्तक्षेप किया कि एक "फ़ानो रेजोनेंस" (Fano resonance) बना, जो प्रकाश स्पेक्ट्रम में एक विशिष्ट प्रकार का तीव्र शिखर (peak) है। इस शिखर ने संकेत दिया कि प्रकाश बहुत कम हानि के साथ अपनी जगह पर टिका हुआ है, जिससे ऊर्जा को रंग परिवर्तन के लिए आवश्यक स्तर तक बढ़ने की अनुमति मिली। सिमुलेशन ने यह भी खुलासा किया कि इलेक्ट्रिक फील्ड बूंदों के बीच के अंतराल में सबसे मजबूत था, जिससे ऐसे हॉटस्पॉट बने जहाँ प्रकाश-पदार्थ की अंतःक्रिया सबसे तीव्र थी।
शोधकर्ताओं ने केवल यह दिखाने पर ही नहीं रुक गए कि यह काम करता है; उन्होंने यह भी मानचित्रित किया कि प्रदर्शन कैसे बदलता है जब वे ग्रिड स्पेसिंग को बदलते हैं। उन्होंने पाया कि सिग्नल की ताकत एक अनुमानित पैटर्न का पालन करती है, जो एक विशिष्ट ग्रिड आकार पर शिखर तक पहुँचती है और फिर अंतराल बढ़ने या घटने पर गिर जाती है। इसने पुष्टि की कि उनकी स्वतंत्र ट्यूनिंग विधि केवल एक भाग्यशाली दुर्घटना नहीं थी बल्कि इन ऑप्टिकल गुणों को इंजीनियर करने का एक विश्वसनीय तरीका था। उन्होंने देखा कि रेजोनेंस की तीक्ष्णता (sharpness), जो यह निर्धारित करती है कि प्रकाश को कितनी अच्छी तरह से पकड़ा जाता है, सीधे तौर पर इस बात से जुड़ी थी कि ग्रिड स्पेसिंग बूंदों के आकार से कितनी मेल खाती है। जब मिलान एकदम सटीक था, तो रेजोनेंस अविश्वसनीय रूप से तीक्ष्रा था, जिसकी चौड़ाई केवल लगभग 5 नैनोमीटर थी, जो एक बहुत ही उच्च गुणवत्ता कारक (quality factor) को दर्शाता है।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि सरल, स्केलेबल निर्माण तकनीकों का उपयोग करके अत्यधिक कुशल, फ्लैट ऑप्टिकल घटक बनाना संभव है। ग्रिड अंतराल और कण के आकार को स्वतंत्र रूप से ट्यून करने की क्षमता इन उपकरणों को विशिष्ट तरंग दैर्ध्य या अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित करने का द्वार खोलती है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इस दृष्टिकोण को अन्य सामग्रियों, जैसे कि पराबैंगनी प्रकाश में उपयोग किए जाने वाले अर्धचालकों (semiconductors) पर लागू किया जा सकता है, जिनकी जैविक अणुओं को पहचानने के लिए आवश्यकता होती है। यह सिद्ध करके कि ये सभी-डाइइलेक्ट्रिक संरचनाएं इतनी उच्च दक्षता के साथ नया प्रकाश उत्पन्न कर सकती हैं, यह अध्ययन पतले, लचीले और जटिल कार्यों जैसे कि फ्रीक्वेंसी कन्वर्जन और ऑप्टिकल स्विचिंग करने में सक्षम, अगली पीढ़ी के ऑप्टिकल उपकरणों के लिए मार्ग प्रशस्त करता है, जो पारंपरिक धातु-आधारित प्रणालियों से जुड़ी ऊर्जा हानि से मुक्त हैं। ये निष्कर्ष तेज़ संचार प्रणालियों से लेकर अधिक संवेदनशील चिकित्सा सेंसरों तक, रोजमर्रा की तकनीकों में उन्नत नॉनलीन ऑप्टिकल कार्यों को एकीकृत करने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं।
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