Probing optical anapoles with fast electron beams

मुख्य विचार: चीजों को प्रकाश के लिए "अदृश्य" बनाना

कल्पना कीजिए कि आप एक कमरे में छिपने की कोशिश कर रहे हैं। इसे करने का एक तरीका है छलावरण (camouflage) पहनना। लेकिन एक अधिक जादुई तरीका भी है: यदि आप किसी तरह अपने ऊपर से टकराकर वापस जाने वाले प्रकाश को रद्द (cancel) कर सकें, तो आप अदृश्य हो जाएंगे।

भौतिकी की दुनिया में, कुछ नन्ही वस्तुएं प्रकाश के साथ ऐसा ही कुछ कर सकती हैं। वे एक अवस्था में प्रवेश कर सकती हैं जिसे "ऑप्टिकल एनापोल" (optical anapole) कहा जाता है। एक एनापोल को प्रकाश के लिए एक आदर्श 'नॉइज़-कैंसलिंग हेडफ़ोन' की तरह समझें। वस्तु के भीतर, दो अलग-अलग प्रकार की विद्युत चुम्बकीय तरंगें एक-दूसरे से लड़ रही होती हैं। जब वे पूरी तरह से एक-दूसरे के विपरीत (out of sync) होती हैं, तो वे एक-दूसरे को पूरी तरह से रद्द कर देती हैं। परिणाम? वस्तु प्रकाश को बिखेरना (scatter) बंद कर देती है, जिससे वह बाहरी दुनिया के लिए "डार्क" या अदвश्य हो जाती है, भले ही वह वहीं मौजूद हो।

वैज्ञानिक इन "डार्क स्टेट्स" के बारे में काफी समय से जानते हैं, लेकिन इन्हें देखना कठिन है क्योंकि, परिभाषा के अनुसार, वे हमें देखने के लिए कोई प्रकाश उत्सर्जित नहीं करते हैं। यह एक ऐसी छाया की फोटो लेने जैसा है जो खुद कोई छाया नहीं बनाती।

समस्या: आप अदृश्य को कैसे देखते हैं?

आमतौर पर, वैज्ञानिक इन वस्तुओं का अध्ययन करने के लिए लेजर (प्रकाश) का उपयोग करते हैं। लेकिन यदि वस्तु "एनापोल अवस्था" में है, तो वह लेजर प्रकाश को अच्छी तरह से परावर्तित या बिखेरती नहीं है। यह एक अंधेरे कमरे में टॉर्च जलाकर काली बिल्ली को खोजने जैसा है—बिल्ली या तो प्रकाश को सोख लेती है या उसे रद्द कर देती है, इसलिए आप उसे देख नहीं पाते।

इस शोध पत्र के लेखकों ने पूछा: क्या होगा अगर हम वस्तु को देखने के लिए प्रकाश का उपयोग न करें? क्या होगा अगर हम इलेक्ट्रॉन्स का उपयोग करें?

समाधान: सूक्ष्म जांच (Probes) के रूप में इलेक्ट्रॉन्स का उपयोग करना

टीम ने स्कैनिंग ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (STEM) को इलेक्ट्रॉन एनर्जी लॉस स्पेक्ट्रोस्कोपी (EELS) के साथ जोड़ा, जो एक शक्तिशाली उपकरण है।

इलेक्ट्रॉन बीम को एक लक्ष्य पर चलाई गई एक छोटी, सुपर-फास्ट गोली की तरह समझें।

• लक्ष्य: टंगस्टन डाइसल्फाइड ($WS_2$) से बनी नन्ही डिस्क। ये डिस्क वायरस के आकार की होती हैं।
• गोली: प्रकाश की गति के 70% की रफ्तार से चलते हुए इलेक्ट्रॉन्स की एक केंद्रित बीम।

जब इलेक्ट्रॉन "गोली" डिस्क के पास से गुजरती है, तो वह सीधे उससे नहीं टकराती; वह उसके बहुत करीब से निकलती है (जैसे कोई विमान खेत के ऊपर से कम ऊंचाई पर उड़ रहा हो)। जैसे ही वह गुजरती है, इलेक्ट्रॉन डिस्क के भीतर के विद्युत क्षेत्रों (electric fields) के साथ परस्पर क्रिया करता है। यदि डिस्क एक निश्चित तरीके से कंपन या अनुनाद (resonate) कर रही है, तो वह इलेक्ट्रॉन से थोड़ी सी ऊर्जा चुरा लेती है।

इलेक्ट्रॉन ने कितनी ऊर्जा खोई, इसका माप करके वैज्ञानिक यह पता लगा सकते हैं कि डिस्क के भीतर क्या हो रहा था। यह एक गुजरती हुई कार की गति में आई मामूली कमी से किसी छिपी हुई वस्तु के आकार का अंदाजा लगाने जैसा है।

खोज: "डिप्स" (Dips) को खोजना

यही वह चतुर हिस्सा है। वैज्ञानिकों ने गणना की कि क्या होगा यदि डिस्क "एनापोल अवस्था" (प्रकाश को रद्द करने वाली अवस्था) में प्रवेश करती है।

उन्होंने पाया कि जब डिस्क इस विशेष अवस्था में होती है, तो वह वास्तव में गुजरते हुए इलेक्ट्रॉन से ऊर्जा चुराना बंद कर देती है। डेटा में, यह एक "डिप" (dip) या ग्राफ में एक घाटी की तरह दिखाई देता है।

• ग्राफ में पीक्स (Peaks) का अर्थ है कि डिस्क मजबूती से अनुनाद कर रही है (जैसे एक घंटी बजना)।
• डिप्स (Dips) का अर्थ है कि डिस्क एनापोल अवस्था में है (वह "शांत" मोड जहाँ विद्युत और टॉरॉइडल बल एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं)।

इसलिए, उन्होंने चमकते प्रकाश को देखने के बजाय, गायब ऊर्जा को देखा। वह 'डिप' अदृश्य एनापोल अवस्था का फिंगरप्रिंट था।

ट्विस्ट: प्रकाश और पदार्थ का मिश्रण

उन्होंने जिस सामग्री का उपयोग किया, वह $WS_2$ है। यह केवल एक साधारण डाइइलेक्ट्रिक नहीं है; यह एक सेमीकंडक्टर है जो इलेक्ट्रॉन्स को विशिष्ट तरीकों से थामे रखता है जिन्हें एक्सिटोन (excitons) कहा जाता है। आप एक एक्सिटोन को कणों के एक छोटे, बंधे हुए जोड़े के रूप में समझ सकते हैं जो एक एकल इकाई के रूप में कार्य करता है, ठीक वैसे ही जैसे एक ग्रह तारे की परिक्रमा करता है।

वैज्ञानिकों ने पाया कि वे $WS_2$ डिस्क के आकार को नियंत्रित (tune) कर सकते हैं। जब उन्होंने डिस्क को छोटा बनाया, तो "एनापोल" की आवृत्ति (frequency) बदल गई। अंततः, एनापोल की आवृत्ति एक्सिटोन की आवृत्ति से मेल खा गई।

जब दो चीजों की आवृत्ति समान होती है, तो वे एक साथ जुड़ जाती हैं—जैसे दो ट्यूनिंग फोर्क एक ही सुर में बज रहे हों। एनापोल और एक्सिटोन मिलकर एक नया हाइब्रिड स्टेट बन गए। वैज्ञानिकों ने इसे अपने एनर्जी लॉस ग्राफ में एक "विभाजन" (splitting) के रूप में देखा। यह दो अलग-अलग सुरों के एक कॉर्ड (chord) में मिलने जैसा था। इसने साबित कर दिया कि वे केवल डिस्क का आकार बदलकर इन अदृश्य अवस्थाओं को नियंत्रित कर सकते हैं।

मानचित्र: अदृश्य को सटीक रूप से पहचानना

अंत में, क्योंकि इलेक्ट्रॉन बीम बहुत सूक्ष्म (सब-नैनोमीटर रेजोल्यूशन) होती है, वैज्ञानिक डिस्क के ऊपर एक स्कैनर की तरह स्कैन कर सके।

उन्होंने सटीक रूप से मैप किया कि एनापोल अवस्थाएँ कहाँ हो रही थीं। उन्होंने पाया कि:

1. एनापोल अवस्थाएँ डिस्क के किनारों के पास सबसे मजबूत होती हैं।
2. यदि इलेक्ट्रॉन बीम डिस्क के केंद्र से होकर गुजरती है, तो वह (समरूपता के कारण) एनापोल अवस्था को अधिक उत्तेजित नहीं करती है।
3. इलेक्ट्रॉन बीम को अलग-अलग स्थानों पर घुमाकर, वे एनापोल अवस्था को "ऑन" या "ऑफ" कर सकते थे।

सारांश

सरल शब्दों में, यह शोध पत्र दिखाता है कि:

1. "डार्क" अवस्थाएं (एनापोल) जहाँ प्रकाश रद्द हो जाता है, उन्हें यह देखकर पता लगाया जा सकता है कि एक तेज गति से चलता हुआ इलेक्ट्रॉन कितनी ऊर्जा खो देता है।
2. ये अवस्थाएं ऊर्जा डेटा में डिप्स (dips) के रूप में दिखाई देती हैं।
3. $WS_2$ की छोटी डिस्क का उपयोग करके, वैज्ञानिक इन डार्क अवस्थाओं को सामग्री के अपने इलेक्ट्रॉनिक गुणों (एक्सिटोन) के साथ मिलाकर नए हाइब्रिड स्टेट बना सकते हैं।
4. वे इन अदृश्य अवस्थाओं को अविश्वसनीय सटीकता के साथ मैप कर सकते हैं, जो यह सिद्ध करता है कि इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी उन घटनाओं का अध्ययन करने का एक शक्तिशाली नया तरीका है जो पारंपरिक प्रकाश-आधारित सूक्ष्मदर्शी के लिए अदृश्य हैं।