Coherent Modulation of Two-Dimensional Moiré States with On-Chip THz Waves
यह अध्ययन कुछ-परत वाले ग्राफीन गेट्स के फेमटोसेकंड लेजर उत्तेजना द्वारा उत्पन्न ऑन-चिप टेराहर्ट्ज़ तरंगों का उपयोग करके ट्रांजिशन मेटल डाइकैल्कोजेनाइड द्विपरतों में इन-सिटू (in-situ) कोहेरेंट मॉड्यूलेशन ऑफ मोइरे एक्सिटॉन्स और सहसंबंधित मोट इंसुलेटर्स (Mott insulators) को प्रदर्शित करता है, जो इन गेट्स को वैन डेर वाल्स उपकरणों में कार्यात्मक परतों के कंपन नियंत्रण के लिए प्रभावी ऑप्टो-इलास्टिक ट्रांसड्यूसर के रूप में स्थापित करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जो इतनी पतली सामग्रियों से बनी है कि वे अनिवार्य रूप से द्वि-आयामी (two-dimensional) हैं, फिर भी उनमें भौतिकी के कुछ सबसे विलक्षण व्यवहारों को प्रदर्शित करने की शक्ति है। वैज्ञानिक लंबे समय से इन परमाणु रूप से पतली परतों को एक सूक्ष्म सैंडविच की परतों की तरह एक के ऊपर एक रखकर, नए पदार्थ की अवस्थाओं को बनाने के लिए उनके स्टैकिंग (stacking) के प्रति आकर्षित रहे हैं। जब दो अलग-अलग परतों को थोड़े से घुमाव (twist) के साथ एक के ऊपर एक रखा जाता है, तो उनके परमाणु पैटर्न ओवरलैप होकर एक विशाल, दोहराते हुए ग्रिड के रूप में उभरते हैं जिसे मोइरे पैटर्न (moiré pattern) कहा जाता है। यह पैटर्न इलेक्ट्रॉनों के लिए एक जाल की तरह कार्य करता है, जो उन्हें संगठित, सह-संबद्ध अवस्थाओं (correlated states) में धकेलता है, जो इंसुलेटर या यहाँ तक कि सुपरकंडक्टर की तरह व्यवहार कर सकते हैं। वर्षों से, शोधकर्ता इन अवस्थाओं को विद्युत क्षेत्रों को लागू करके या इलेक्ट्रॉनों की संख्या बदलकर नियंत्रित करते आए हैं, ठीक वैसे ही जैसे रेडियो ट्यून किया जाता है। हालाँकि, अब एक नया क्षितिज खुला है: इन क्वांटम अवस्थाओं को न केवल बिजली से, बल्कि ध्वनि से नियंत्रित करना। विशेष रूप से, वैज्ञानिक उन कंपनों का उपयोग करने में सीख रहे हैं जो मानव कान के लिए बहुत तेज़ हैं, फिर भी इतने धीमे हैं कि उन्हें सटीकता के साथ मापा और हेरफेर किया जा सके।
हाल ही के एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक छोटे चिप पर सीधे इन उच्च-गति वाले कंपनों को उत्पन्न करने और इन क्वांटम सामग्रियों के ताने-बाने को हिलाने के लिए इनका उपयोग करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। टीम ने, जिसमें कोलंबिया विश्वविद्यालय और अन्य संस्थानों के वैज्ञानिक शामिल थे, ट्रांजिशन मेटल डाइकैल्कोजेनाइड्स (transition metal dichalcogenides) के प्रकार की एक अर्धचालक सामग्री की दो परतों से बने एक उपकरण पर ध्यान केंद्रित किया। इन परतों को हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड की सुरक्षात्मक इंसुलेटर परतों के बीच रखा गया था और ग्राफाइट की पतली परतों से ढका गया था जो इलेक्ट्रिकल गेट्स के रूप में कार्य करती हैं। यह क्वांटम घटनाओं के अध्ययन के लिए एक मानक सेटअप है, लेकिन शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि ग्राफite गेट्स, जिनका उपयोग आमतौर पर केवल विद्युत नियंत्रण के लिए किया जाता है, कुछ और भी कर सकते हैं। जब वे ग्राफाइट गेट्स पर लेजर प्रकाश की एक पल्स (pulse) मारते हैं, तो गेट्स ऊर्जा को अवशोषित करते हैं और तुरंत फैलते और सिकुड़ते हैं, जिससे उपकरण में ध्वनि की एक सुसंगत तरंग—एक फोनन वेवपैकेट (phonon wavepacket)—लॉन्च होती है।
ये ध्वनि तरंगें इंसुलेटिंग बोरॉन नाइट्राइड परतों के माध्यम से यात्रा करती हैं और सटीक समय के साथ सक्रिय अर्धचालक परतों तक पहुँचती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि ये तरंगें, जो 0.4 और 1 टेराहरत्ज़ के बीच की आवृत्तियों पर कंपन करती हैं, मोइरे एक्सिटॉन्स (moiré excitons) को सुसंगत रूप से मॉड्युलेट करने के लिए पर्याप्त मजबूत थीं। एक्सिटॉन्स इलेक्ट्रॉनों और होल्स (holes) के जोड़े हैं जो तब बनते हैं जब प्रकाश किसी सामग्री से टकराता है, और इस मामले में, वे मोइरे पैटर्न में फंसे हुए थे। ध्वनि तरंगों ने एक्सिटॉन्स के ऊर्जा स्तरों को एक सिंक्रोनाइज्ड लय में दोलन (oscillate) कराया। डिवाइस से परावर्तित होने वाले प्रकाश में समय के साथ होने वाले परिवर्तन को मापकर, टीम इन ध्वनि तरंगों के आगमन को देख सकी। उन्होंने देखा कि तरंगों के अर्धचालक परतों तक पहुँचने में लगने वाला समय इंसुलेटिंग स्पेसर की मोटाई पर सीधे निर्भर करता है, जिससे पुष्टि हुई कि तरंगें वास्तव में उस पदार्थ की ध्वनि की अपेक्षित गति से यात्रा कर रही थीं।
अध्ययन ने आगे यह भी दिखाया कि यह विधि तब भी काम करती है जब सामग्री एक अधिक जटिल, सह-संबद्ध अवस्था में होती है। शोधकर्ताओं ने डिवाइस को अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों या होल्स के साथ डोप (dope) किया ताकि एक मॉट इंसुलेटर (Mott insulator) बनाया जा सके, जो एक ऐसी अवस्था है जहाँ इलेक्ट्रॉन एक-दूसरे के साथ मजबूत अंतःक्रियाओं के कारण एक जगह स्थिर रहते हैं। इस कठोर, सह-संबद्ध अवस्था में भी, ग्राफाइट गेट्स से लॉन्च की गई ध्वनि तरंगें सफलतापूर्वक सामग्री तक पहुँचीं और उसके गुणों को मॉड्युलेट किया। यह सिद्ध करता है कि ग्राफाइट गेट्स प्रभावी ट्रांसड्यूसर (transducers) के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो बाहरी स्पीकर या जटिल वायरिंग की आवश्यकता के बिना प्रकाश को ध्वनि में बदलकर क्वांटम अवस्था को नियंत्रित करते हैं। टीम ने एक सैद्धांतिक मॉडल का उपयोग किया, जिसमें डिवाइस की परतों को जुड़े हुए द्रव्यमान और स्प्रिंग्स की एक श्रृंखला के रूप में माना गया, ताकि ध्वनि तरंगों की विशिष्ट आवृत्तियों की भविष्यवाणी की जा सके। उनके गणना परिणाम प्रयोगात्मक डेटा से मेल खाते थे, जिससे पता चला कि तरंगें मुख्य रूप से "ब्रीदिंग मोड" (breathing modes) थीं, जहाँ परतें एक-दूसरे के सापेक्ष ऊपर और नीचे चलती हैं, न कि अगल-बगल खिसकती हैं।
यह कार्य इस विचार को खारिज करता है कि ऐसे नियंत्रण के लिए विशेष, गैर-मानक डिवाइस आर्किटेक्चर या कठिन से लागू होने वाली नियर-फील्ड तकनीकों की आवश्यकता है। इसके बजाय, यह दिखाता है कि प्रयोगशालाओं में उपयोग किए जाने वाले मानक ड्यूल-गेटेड डिवाइस इस प्रकार के ऑप्टो-इलास्टिक नियंत्रण के लिए पूरी तरह उपयुक्त हैं। शोधकर्ताओं ने यह भी पुष्टि की कि ग्राफाइट गेट्स के बिना, ऐसे दोलन नहीं हुए, जिससे सिद्ध हुआ कि गेट्स ही ध्वनि का स्रोत थे। जबकि वर्तमान प्रयोगों में एक विशिष्ट आवृत्ति सीमा में तरंगें उत्पन्न करने के लिए एक विशिष्ट मोटाई की ग्राफाइट परतों का उपयोग किया गया था, लेखकों ने उल्लेख किया कि इन गेट्स की मोटाई बदलकर ध्वनि को और भी उच्च आवृत्तियों तक ट्यून किया जा सकता है। यह खोज क्वांटम सामग्रियों के हेरफेर के लिए एक नया मार्ग खोलती है, यह सुझाव देते हुए कि इन उपकरणों को शक्ति देने वाले घटक स्वयं कंपन के माध्यम से उनसे संवाद करने के लिए भी उपयोग किए जा सकते हैं, जो पदार्थ के छिपे हुए चरणों की खोज करने और संभावित रूप से एक क्वांटम प्रणाली के विभिन्न हिस्सों को उलझाने (entangling) के लिए एक नया उपकरण प्रदान करते हैं।
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