Optical Second Harmonic Generation in Anisotropic Multilayers with Complete Multireflection of Linear and Nonlinear Waves using #SHAARP.ml Package

प्रकाश लंबे समय से दुनिया को देखने का एक उपकरण रहा है, लेकिन यह इसे बदलने का भी एक उपकरण है। जब प्रकाश की एक किरण कुछ सामग्रियों से टकराती है, तो उनके भीतर के परमाणु छोटे एम्पलीफायर (प्रवर्धक) की तरह कार्य कर सकते हैं, जो एक रंग के दो फोटॉन को पकड़ते हैं और उन्हें दोगुने ऊर्जा और आधी तरंग दैर्ध्य वाले एकल फोटॉन में मिला देते हैं। यह प्रक्रिया, जिसे 'सेकंड हार्मोनिक जनरेशन' कहा जाता है, लाल प्रकाश को नीले में, या इन्फ्रारेड को दृश्य हरे रंग में बदल देती है, जिससे पुराने रंगों से नए रंग बनते हैं। वैज्ञानिकों ने दशकों से लेजर बनाने, क्रिस्टल की संरचना का विश्लेषण करने और यहाँ तक कि सामग्रियों के छिपे हुए चुंबकीय डोमेनों को देखने के लिए इस तकनीक का उपयोग किया है। हालाँकि, जैसे-जैसे शोधकर्ता पतली फिल्मों और विभिन्न सामग्रियों के जटिल स्टैक के साथ नए क्षेत्रों में प्रवेश कर रहे हैं, इस बात की भविष्यवाणी करने के लिए आवश्यक गणित एक उलझी हुई गांठ बन गया है कि यह प्रकाश वास्तव में कैसे व्यवहार करेगा। पारंपरिक तरीके अक्सर उन सरलीकरणों पर निर्भर करते हैं जो सरल, एकल क्रिस्टल के लिए तो काम करते हैं, लेकिन तब विफल हो जाते हैं जब प्रकाश परतों के बीच आगे-पीछे उछलता है और जटिल तरीकों से स्वयं के साथ हस्तक्षेप करता है।

पेंसिल्वेनिया स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने ♯SHAARP.ml नामक एक नया, ओपन-सोर्स सॉफ्टवेयर पैकेज विकसित करके इस गांठ को सुलझा दिया है। यह उपकरण वैज्ञानिकों को सरल अनुमानों पर निर्भर किए बिना जटिल, बहु-परतीय संरचनाओं में प्रकाश के व्यवहार की गणना करने की अनुमति देता है। यह मानते हुए नहीं कि प्रकाश एक सीधी रेखा में यात्रा करता है या परावर्तन कमजोर है, यह सॉफ्टवेयर प्रकाश तरंगों के हर एक उछाल (बाउंस) को ट्रैक करता है जब वे सामग्रियों के एक स्टैक के माध्यम से यात्रा करती हैं। यह इस बात का भी हिसाब रखता है कि प्रकाश तरंगें आपस में कैसे हस्तक्षेप करती हैं, जिससे चमकीले और अंधेरे धब्बों के पैटर्न बनते हैं जो परतों की सटीक मोटाई और उस कोण पर निर्भर करते हैं जिस पर प्रकाश टकराता है। क्वार्ट्ज, लिथियम निओबेट और जिंक ऑक्साइड जैसी सामग्रियों के वास्तविक प्रयोगों के साथ इस सॉफ्टवेयर का परीक्षण करके, शोधकर्ताओं ने सिद्ध किया कि उनकी विधि उच्च सटीकता के साथ नई सामग्रियों के मौलिक गुणों को मापने के लिए पर्याप्त सटीक है।

मुख्य चुनौती जिसे टीम ने संबोधित किया वह यह है कि प्रकाश केवल एक सामग्री से वैसे ही पार नहीं हो जाता जैसे कोई कार सीधी सड़क पर चलती है। जब प्रकाश दो अलग-अलग सामग्रियों के बीच की सीमा से टकराता है, तो उसका कुछ हिस्सा वापस परावर्तित होता है। एक पतली फिल्म या परतों के स्टैक में, यह परावर्तित प्रकाश बार-बार उछलता है, जिससे विपरीत दिशाओं में यात्रा करने वाली तरंगों का एक जटिल जाल बन जाता है। ये तरंगें आपस में हस्तक्षेप करती हैं, कभी एक-दूसरे को रद्द कर देती हैं तो कभी एक-दूसरे को सुदृढ़ करती हैं। दशकों तक, सेकंड हार्मोनिक जनरेशन का विश्लेषण करने वाले वैज्ञानिक अक्सर इन पीछे की ओर यात्रा करने वाली तरंगों को अनदेखा कर देते थे या मान लेते थे कि सामग्री पूरी तरह से पारदर्शी और एकसमान है। हालांकि यह सरल, मोटे क्रिस्टल के लिए काम करता था, लेकिन आधुनिक उपकरणों के लिए लागू होने पर यह महत्वपूर्ण त्रुटियों का कारण बना, जो अक्सर बहुत पतली फिल्मों या जटिल हेटरोस्ट्रक्चर से बने होते हैं जहाँ ये परावर्तन प्रबल होते हैं। नया सॉफ्टवेयर इन सभी तरंगों के सटीक पथ और अंतःक्रिया की गणना करके इस जटिलता को संभालने के लिए बनाया गया था, जिसमें कई परावर्तनों से उत्पन्न होने वाले सूक्ष्म हस्तक्षेप पैटर्न भी शामिल हैं।

अपने टूल को सत्यापित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न सामग्रियों का उपयोग करके इसे कठोर परीक्षणों से गुजारा। उन्होंने क्वार्ट्ज के एक एकल क्रिस्टल के साथ शुरुआत की, जो एक ऐसी सामग्री है जिसके ऑप्टिकल गुण अच्छी तरह से ज्ञात हैं। उन्होंने विभिन्न कोणों पर क्रिस्टल की प्रतिक्रिया को मापा और अपने प्रयोगात्मक डेटा की सॉफ्टवेयर की भविष्यवाणियों के साथ तुलना की। परिणाम पूरी तरह से मेल खाए, जिससे पुष्टि हुई कि सॉफ्टवेयर पुराने, सरल मॉडलों में देखे जाने वाले क्लासिक पैटर्न को पुनरुत्पादित कर सकता है। लेकिन असली परीक्षा तब हुई जब उन्होंने क्वार्ट्ज के पीछे सोने (गोल्ड) की एक परत जोड़ी। इस धातु की परत ने एक दर्पण की तरह काम किया, जिससे प्रकाश क्रिस्टल के भीतर तीव्रता से आगे-पीछे उछलने लगा। इस परिदृश्य में, पुराने, सरलीकृत मॉडल प्रकाश की सही तीव्रता की भविष्यवाणी करने में विफल रहे, जबकि नया सॉफ्टवेयर, जो पूर्ण बहु-परावर्तनों को ध्यान में रखता है, प्रयोगात्मक डेटा के साथ उच्च सटीकता के साथ मेल खा गया। इसने प्रदर्शित किया कि परावर्तक परतों वाली सामग्रियों के लिए, उछलने वाली तरंगों को अनदेखा करने से गणना किए गए गुणों में बड़ी त्रुटियां होती हैं।

टीम फिर आधुनिक तकनीक में उपयोग की जाने वाली अधिक जटिल, वास्तविक दुनिया की सामग्रियों पर आगे बढ़ी। उन्होंने प्लैटिनम की निचली परत वाले सबस्ट्रेट पर उगाई गई जिंक ऑक्साइड की पतली फिल्मों का विश्लेषण किया, जो एक ऐसी संरचना है जो प्रकाश के लिए लगभग पूर्ण दर्पण प्रभाव पैदा करती है। इस मामले में, सरलीकृत मॉडलों ने सुझाव दिया कि सामग्री की नई रोशनी उत्पन्न करने की क्षमता वास्तव में दस गुना अधिक मजबूत थी, क्योंकि वे फिल्म के भीतर प्रकाश के उछलने और घूमने को समझने में विफल रहे। नए सॉफ्टवेयर ने इसे ठीक किया, वास्तविक, बहुत कम मान को प्रकट किया। उन्होंने अपने सॉफ्टवेयर का परीक्षण लिथियम निओबेट और पोटेशियम टाइटानिल फॉस्फेट के क्रिस्टल पर भी किया, जिनका उपयोग लेजर और दूरसंचार में व्यापक रूप से किया जाता है। विभिन्न कोणों और ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन) से प्रकाश के प्रति इन क्रिस्टल की प्रतिक्रिया को मापकर, शोधकर्ताओं ने उनके ऑप्टिकल गुणों के सटीक मान निकाले, जो ज्ञात मानकों से मेल खाते हैं और उनके टूल की विश्वसनीयता को सिद्ध करते हैं।

केवल ज्ञात सामग्रियों को मापने के अलावा, इस सॉफ्टवेयर ने उन जटिल प्रणालियों को समझने के द्वार खोल दिए जो पहले मॉडलिंग के लिए बहुत कठिन थीं। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए दो अलग-अलग क्रिस्टल के स्टैक का अनुकरण (सिमुलेशन) किया—एक लिथियम निओबेट से और दूसरा क्वार्ट्ज से—कि वे कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। उन्होंने पाया कि दोनों परतों द्वारा उत्पन्न प्रकाश एक ऐसे तरीके से हस्तक्षेप कर सकता है जो लिथियम निओबेट के भीतर आंतरिक विद्युत ध्रुवीकरण की दिशा को प्रकट करता है। यह एक महत्वपूर्ण क्षमता है क्योंकि मानक माप अक्सर दो विपरीत ध्रुवीकरण दिशाओं के बीच अंतर नहीं बता पाते यदि प्रकाश की तीव्रता समान हो। एक संदर्भ परत जोड़कर, हस्तक्षेप पैटर्न बदल जाता है, जिससे वैज्ञानिक इन दो अवस्थाओं के बीच अंतर कर पाते हैं। यह तकनीक फेरोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के अध्ययन के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हो सकती है, जिनका उपयोग मेमोरी डिवाइस और सेंसर में किया जाता है, जहाँ आंतरिक ध्रुवीकरण की सटीक दिशा जानना आवश्यक है।

शोधकर्ताओं ने अपने टूल को अत्याधुनिक सामग्री विज्ञान पर भी लागू किया: ट्विस्टेड बाइलेयर मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड। यह एक ऐसी संरचना है जो दो परमाणु परतों से बनी है जो एक-दूसरे के ऊपर स्टैक्ड हैं, जिसमें एक परत दूसरी परत के सापेक्ष थोड़ी घूम हुई है। यह घुमाव (ट्विस्ट) का कोण यह बदल देता है कि सामग्री प्रकाश के साथ कैसे क्रिया करती है। सॉफ्टवेयर ने सफलतापूर्वक सिमुलेट किया कि ट्विस्ट कोण के परिवर्तन के साथ प्रकाश की तीव्रता कैसे बदलती है, जो प्रयोगात्मक अवलोकनों से मेल खाता है। इसने दिखाया कि नीचे स्थित सबस्ट्रेट, जो एक दर्पण के रूप में कार्य करता है, अंतिम सिग्नल को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है। विवरण का यह स्तर उन द्वि-आयामी (2D) सामग्रियों पर आधारित भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल उपकरणों को डिजाइन करने के लिए महत्वपूर्ण है, जहाँ परमाणुओं और परतों की सटीक व्यवस्था डिवाइस के प्रदर्शन को निर्धारित करती है।

♯SHAARP.ml का विकास जटिल सामग्रियों में प्रकाश के व्यवहार के सरल धारणाओं पर निर्भर रहने के बजाय एक पूर्ण, कठोर विवरण का उपयोग करने की ओर एक बदलाव है। इस शक्तिशाली उपकरण को ओपन-सोर्स बनाकर, शोधकर्ताओं ने वैज्ञानिक समुदाय को नई सामग्रियों के ऑप्टिकल गुणों को सटीक रूप से मॉडल करने और समझने का एक तरीका प्रदान किया है, जो साधारण क्रिस्टल से लेकर पतली फिल्मों के जटिल स्टैक तक विस्तृत है। यह क्षमता जैसे-जैसे क्षेत्र जटिल उपकरणों की ओर बढ़ रहा है, अत्यंत आवश्यक है जहाँ प्रकाश पदार्थ के साथ तेजी से परिष्कृत तरीकों से क्रिया करता है। यह सॉफ्टवेयर केवल यह भविष्यवाणी नहीं करता कि क्या होगा; यह समझाता है कि क्यों होगा, प्रत्येक फोटॉन के पथ का पता लगाकर कि वह सामग्री के भीतर कैसे उछलता है, हस्तक्षेप करता है और परिवर्तित होता है। जैसे-जैसे वैज्ञानिक अद्वितीय ऑप्टिकल गुणों वाली नई सामग्रियां खोजना जारी रखेंगे, उनके व्यवहार की पूरी जटिलता को संभालने वाला टूल होना भविष्य की प्रौद्योगिकियों के लिए उनकी क्षमता को अनलॉक करने की कुंजी होगा।