Chiral two-dimensional MoS2 by molecular functionalization as ultra-sensitive detectors for circularly polarized light
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि परमाणु रूप से पतली MoS2 को काइरल थियोल अणुओं के साथ कार्यात्मक बनाने से प्रबल काइरैलिटी उत्पन्न होती है, जो लगभग सैद्धांतिक अधिकतम अनिसोट्रॉपी के साथ गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश का पता लगाने में सक्षम अल्ट्रा-सेंसिटिव फोटोट्रांजिस्टर के निर्माण को सक्षम बनाती है।
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प्रकाश केवल ऊर्जा ही नहीं ले जाता; यह एक छिपा हुआ घुमाव भी अपने साथ लाता है। जिस तरह एक पेंच को घड़ी की दिशा में या घड़ी की विपरीत दिशा में घूमने के लिए थ्रेड किया जा सकता है, उसी तरह प्रकाश तरंगें दो विपरीत दिशाओं में सर्पिल (spiral) हो सकती हैं, जिन्हें बाएं हाथ और दाएं हाथ के वृत्तीय ध्रुवीकरण (circular polarization) के रूप में जाना जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों की खोज कर रहे हैं जो इन दोनों घुमावों के बीच अंतर कर सकें, जो सुरक्षित क्वांटम संचार और अति-संवेदनशील रासायनिक सेंसर जैसी उन्नत तकनीकों के लिए एक आवश्यक क्षमता है। चुनौती ऐसे ठोस पदार्थ खोजने में है जो स्वाभाविक रूप से "कायरल" (chiral) हों, जिसका अर्थ है कि उनमें दर्पण समरूपता (mirror symmetry) का अभाव हो और वे घूमते हुए प्रकाश के दो प्रकारों के साथ अलग तरह से अंतःक्रिया कर सकें। हालांकि कई कार्बनिक अणुओं में यह गुण होता है, लेकिन वे अक्सर नाजुक होते हैं और उन्हें इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में एकीकृत करना कठिन होता है। इसके विपरीत, अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सबसे आशाजनक सामग्री क्रिस्टल की परमाणु रूप से पतली परतें हैं, जो अविश्वसनीय रूप से मजबूत और कुशल हैं, लेकिन अपनी प्राकृतिक अवस्था में, वे पूरी तरह से सममित (symmetrical) होती हैं और प्रकाश के घुमाव के प्रति अंधी होती हैं।
कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक सामान्य, सममित क्रिस्टल को प्रकाश के घुमाव को पहचानने के लिए प्रशिक्षित करके इस अंतर को पाटने का एक तरीका खोज निकाला है। उन्होंने मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक द्वि-आयामी (two-dimensional) सामग्री है जो परमाणुओं की एक एकल परत की तरह दिखती है लेकिन एक अर्धचालक (semiconductor) की तरह व्यवहार करती है। अपने शुद्ध रूप में, यह सामग्री अकायरल (achiral) है, जिसका अर्थ है कि यह बाएं हाथ और दाएं हाथ के प्रकाश के साथ बिल्कुल एक जैसा व्यवहार करती है। इसे बदलने के लिए, टीम ने एक सरल रासायनिक युक्ति का उपयोग किया: उन्होंने क्रिस्टल पर पेनिसिलामाइन (penicillamine) की परत चढ़ाई, जो एक प्राकृतिक अमीनो एसिड है जो दो दर्पण-प्रतिबिंब रूपों में मौजूद होता है, ठीक वैसे ही जैसे एक बायां हाथ और एक दायां हाथ। महत्वपूर्ण रूप से, इन अणुओं को इसलिए चुना गया क्योंकि इनमें एक सल्फर समूह होता है जो एक रासायनिक हुक की तरह कार्य करता है, जिससे वे क्रिस्टल की सतह पर केवल ढीले ढंग से बैठने के बजाय सीधे और मजबूती से जुड़ सकते हैं।
इस बंधन के परिणाम तत्काल और गहरे थे। जब शोधकर्ताओं ने उपचारित क्रिस्टलों का विश्लेषण किया, तो उन्होंने पाया कि अमीनो एसिड और क्रिस्टल के बीच उस रासायनिक मेल ने सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को बदल दिया था। अमीनो एसिड के सल्फर परमाणुओं ने क्रिस्टल के साथ जुड़कर एक नई हाइब्रिड अवस्था बनाई, जहाँ अणु की कायरैलिटी (chirality) ठोस सामग्री में स्थानांतरित हो गई। इस परिवर्तन की पुष्टि सामग्री द्वारा प्रकाश के अवशोषण को मापकर की गई। जहाँ अनुपचारित क्रिस्टल ने घूमते हुए प्रकाश के किसी भी प्रकार के प्रति कोई प्राथमिकता नहीं दिखाई, वहीं उपचारित संस्करण ने बाएं हाथ और दाएं हाथ के प्रकाश को बहुत अलग तरह से अवशोषित किया। यह अंतर इतना बड़ा था कि सामग्री की दोनों घुमावों के बीच अंतर करने की क्षमता आज प्रयोगशालाओं में उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट त्रि-आयामी कायरल पदार्थों की तुलना में सैकड़ों गुना अधिक थी।
यह सिद्ध करने के लिए कि यह प्रभाव वास्तविक था और केवल सतह पर बैठे अणुओं का दुष्प्रभाव नहीं था, टीम ने एक नियंत्रण प्रयोग किया जिसमें एक अलग अमीनो एसिड का उपयोग किया गया जो समान दिखता था लेकिन जिसमें सल्फर हुक का अभाव था। उस रासायनिक बंधन के बिना, अणु क्रिस्टल पर केवल टिके रहे और उसकी प्रकृति को नहीं बदला, और सामग्री प्रकाश के घुमाव के प्रति अंधी रही। इसने पुष्टि की कि मजबूत रासायनिक संबंध ही कायरल गुण को स्थानांतरित करने की कुंजी थी। क्रिस्टल लैटिस के भीतर होने वाले कंपन के परीक्षणों ने यह भी दिखाया कि वे नए हाथों (handedness) को दर्शाने के तरीके से बदले, जिससे यह सिद्ध हुआ कि पूरे ढांचे को आणविक कोटिंग द्वारा सूक्ष्म रूप से पुनर्गठित किया गया था।
अंतिम परीक्षण तब आया जब शोधकर्ताओं ने इस नई सामग्री से एक कामकाजी उपकरण बनाया। उन्होंने उपचारित क्रिस्टल का उपयोग करके एक फोटो ट्रांजिस्टर बनाया, जो एक प्रकार का प्रकाश सेंसर है। जब उन्होंने डिवाइस पर प्रकाश डाला, तो उसने एक विद्युत धारा उत्पन्न की। अनुपचारित क्रिस्टल के साथ, प्रकाश के घुमाव के बावजूद करंट एक समान था। हालांकि, उपचारित क्रिस्टल के साथ, डिवाइस ने एक प्रकार के घुमाव के प्रति जोरदार प्रतिक्रिया दी जबकि दूसरे के प्रति बहुत कम प्रतिक्रिया दी। सेंसर ने दो घुमावों के बीच लगभग पूर्ण सटीकता के साथ अंतर किया, जो उस सैद्धांतिक सीमा तक पहुँच गया जहाँ दोनों अवस्थाएं पूरी तरह से अलग होती हैं। यह उपलब्धि प्रदर्शित करती है कि केवल सतह पर सही प्रकार के अणु लगाकर एक मानक, उच्च-प्रदर्शन वाली इलेक्ट्रॉनिक सामग्री को वृत्तीय ध्रुवित प्रकाश के लिए एक विशेष डिटेक्टर में बदलना संभव है। यह कार्य ऐसे सेंसर और क्वांटम सूचना प्रणालियों के लिए नए घटकों के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करता है, जो मजबूत और निर्माण में आसान दोनों हैं।
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