A 2D van der Waals Material for Terahertz Emission with Giant Optical Rectification
यह शोध पत्र वैन डेर वाल्स फेरोइलेक्ट्रिक सेमीकंडक्टर NbOI2 को एक अत्यधिक कुशल, ब्रॉडबैंड टेराहर्ट्ज़ उत्सर्जक के रूप में प्रस्तुत करता है जिसमें विशाल ऑप्टिकल रेक्टिफिकेशन (optical rectification) है, जो 2D सामग्रियों के ऑन-चिप नियर-फील्ड स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए एक स्केलेबल समाधान प्रदान करता है जो नमूने और विकिरण तरंग दैर्ध्य के बीच पारंपरिक बेमेल (mismatch) को दूर करता है।
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वैज्ञानिक लंबे समय से परमाणु-पतली परतों को एक के ऊपर एक रखकर नई सामग्रियां बनाने की क्षमता से मंत्रमुग्ध रहे हैं, ठीक वैसे ही जैसे ताश के अलग-अलग पत्तों से एक मीनार बनाई जाती है। इन परतों को, जिन्हें द्वि-आयामी (two-dimensional) सामग्रियां कहा जाता है, अनंत तरीकों से संयोजित किया जा सकता है ताकि ऐसी अद्वितीय विद्युत और चुंबकीय गुणों वाली वस्तुओं का निर्माण किया जा सके जो प्रकृति में मौजूद नहीं हैं। इन कृत्रिम सामग्रियों के काम करने के तरीके को समझने के लिए, शोधकर्ताओं को उनके भीतर झांकने और यह मापने की आवश्यकता होती है कि वे बहुत कम ऊर्जा वाले प्रकाश, विशेष रूप से टेराहर्ट्ज़ (terahertz) तरंगों नामक विकिरण के प्रति कैसी प्रतिक्रिया देते हैं। प्रकाश का यह स्पेक्ट्रम माइक्रोवेव और इन्फ्रारेड के बीच स्थित है, जिसमें इलेक्ट्रॉनों की सूक्ष्म गतिविधियों को प्रकट करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है जो सामग्री के व्यवहार को परिभाषित करती है। हालाँकि, एक बड़ी बाधा ने प्रगति को रोक रखा है: इन परमाणु-पतली नमूनों का अत्यंत छोटा आकार उन्हें मानक टेराहर्ट्ज़ उपकरणों के साथ अध्ययन करना लगभग असंभव बना देता है। उन्हें जांचने के लिए उपयोग की जाने वाली तरंगें इतनी लंबी होती हैं कि वे छोटे नमों के ऊपर से बस बह निकलती हैं, जिससे विवरण धुंधले हो जाते हैं और उनके भीतर क्या हो रहा है, यह देखना कठिन हो जाता है।
कोलंबिया यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को समाधान में बदलकर आकार के इस बेमेल अंतर को दूर करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने पाया कि नियोबियम (niobium), ऑक्सीजन और आयोडीन से बना एक विशिष्ट क्रिस्टल, इन टेराहर्ट्ज़ तरंगों के लिए ठीक वहीं एक शक्तिशाली स्रोत के रूप में कार्य कर सकता है जहाँ नमूना स्थित होता है। यह सामग्री, जिसे NbOI2 के रूप में जाना जाता है, केवल एक निष्क्रिय परत नहीं है; यह एक फेरोइलेक्ट्रिक सेमीकंडक्टर है, जिसका अर्थ है कि इसमें एक अंतर्निहित विद्युत ध्रुवीयता (polarity) है जिसे बदला जा सकता है। जब शोधकर्ताओं ने इस सामग्री की एक पतली परत पर लेजर प्रकाश का एक संक्षिप्त पल्स (pulse) डाला, तो क्रिस्टल ने तुरंत उस प्रकाश को टेराहर्ट्ज़ विकिरण के विस्फोट में बदल दिया। इस खोज को जो बात असाधारण बनाती है, वह है रूपांतरण की अत्यधिक दक्षता। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह द्वि-आयामी क्रिस्टल वर्तमान प्रयोगशालाओं में उपयोग किए जाने वाले मानक त्रि-आयामी क्रिस्टल की तुलना में दस गुना अधिक शक्ति के साथ टेराहर्ट्ज़ तरंगें उत्पन्न करता है, जबकि यह उनसे अस्सी गुना पतला है।
इस प्रदर्शन की कुंजी NbOI2 क्रिस्टल की अनूठी संरचना में निहित है। इस सामग्री के भीतर, परमाणुओं की व्यवस्था इस तरह से है जो समरूपता (symmetry) को तोड़ती है, जिससे एक मजबूत विद्युत प्रतिक्रिया उत्पन्न होती है जो परतों के एक के ऊपर एक रखे जाने पर रद्द नहीं होती है। कई अन्य समान सामग्रियों में, एक परत से प्राप्त विद्युत संकेत दूसरी परत के संकेतों को निष्प्रभावी कर देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक कमजोर समग्र प्रभाव पड़ता है। हालाँकि, NbOI-2 में, परतें पूरी तरह से संरेखित होती हैं ताकि उनकी विद्युत प्रतिक्रियाएं आपस में जुड़ सकें, जिससे टेराहर्ट्ज़ ऊर्जा का एक विशाल उछाल पैदा होता है। यह प्रक्रिया, जिसे ऑप्टिकल रेक्टिफिकेशन (optical rectification) कहा जाता है, अतिरिक्त गर्मी उत्पन्न किए बिना या सामग्री को नुकसान पहुँचाए बिना होती है, जो कि उन अन्य विधियों के साथ एक आम समस्या है जो विद्युत धाराएं बनाने पर निर्भर करती हैं। शोधकर्ताओं ने विभिन्न तीव्रताओं वाले लेजर पल्स के साथ सामग्री का परीक्षण किया और पाया कि टेराहर्ट्ज़ आउटपुट इनपुट पावर के बिल्कुल समानुपाती बना रहा, यहाँ तक कि उच्च स्तरों पर भी जहाँ अन्य सामग्रियां विफल हो जाती हैं या संतृप्त (saturate) हो जाती हैं।
अपनी कच्ची शक्ति के अलावा, यह सामग्री सूक्ष्म जगत को देखने का एक नया तरीका प्रदान करती है। क्योंकि टेराहर्ट्ज़ तरंगें सीधे एक पतली परत से उत्पन्न होती हैं जिसे नमूने के ऊपर रखा जा सकता है, इसलिए प्रकाश बीम का आकार लेजर स्पॉट द्वारा निर्धारित होता है, जिसे कुछ माइक्रोमीटर तक केंद्रित किया जा सकता है। यह वैज्ञानिकों को टेराहर्ट्ज़ तकनीक की सामान्य सीमाओं से कहीं अधिक सटीकता के साथ सूक्ष्म क्षेत्रों की जांच करने की अनुमति देता है। इसे प्रदर्शित करने के लिए, टीम ने दो सुरक्षात्मक बोरोन नाइट्राइड की परतों के बीच ग्रेफाइट की एक परत रखकर एक छोटा उपकरण बनाया और उसे सीधे NbOI2 उत्सर्जक (emitter) के ऊपर रख दिया। इसके बाद उन्होंने स्टैक के ऊपर लेजर को स्कैन किया, जिससे यह मापा गया कि ग्रेफाइट के माध्यम से टेराहर्ट्ज़ तरंगें कैसे गुजरती हैं। यह तकनीक इतनी संवेदनशील थी कि इसने यह पता लगाया कि ग्रेफाइट में इलेक्ट्रॉन ऊर्जा को कैसे अवशोषित करते हैं, जिससे शोधकर्ताओं को यह गणना करने की अनुमति मिली कि इलेक्ट्रॉन सामग्री के माध्यम से कितनी आसानी से चलते हैं। सूक्ष्म विवरण का यह स्तर, जो जटिल मशीनरी या आक्रामक जांच के बिना प्राप्त किया गया है, इन नई सामग्रियों के प्राकृतिक, असेंबल अवस्था में छिपे हुए क्वांटम व्यवहारों का अध्ययन करने के द्वार खोलता है।
इस कार्य के निहितार्थ क्वांटम अनुसंधान के भविष्य तक विस्तृत हैं। NbOI2 क्रिस्टल द्वारा उत्पन्न टेराहर्ट्ज़ तरंगें 5.5 टेराहर्ट्ज़ तक की व्यापक आवृत्तियों को कवर करती हैं, जो कई मौजूदा नियर-फील्ड (near-field) तकनीकों की तुलना में अधिक है। इस व्यापक बैंडविड्थ का अर्थ है कि इस विधि का उपयोग भौतिक घटनाओं की एक विस्तृत श्रृंखला के अध्ययन के लिए किया जा सकता है, जैसे कि सुपरकंडक्टर्स में इलेक्ट्रॉन कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, या विलक्षण चुंबकीय अवस्थाओं का व्यवहार। सामग्री स्वयं मजबूत है, जो विभिन्न तापमानों में अपना प्रदर्शन बनाए रखती है और समय के साथ स्थिर रहती है। अध्ययन की जा रही सामग्रियों के स्टैक में इस शक्तिशाली उत्सर्जक को सीधे एकीकृत करके, वैज्ञानिक अब उन उपकरणों पर विस्तृत स्पेक्ट्रोस्कोपी कर सकते हैं जिन्हें वे बना रहे हैं। यह दृष्टिकोण प्रोब (probe) और नमूने के बीच की बाधा को हटा देता है, जिससे क्वांटम पदार्थ के निम्न-ऊर्जा परिदृश्य का एक स्पष्ट और सीधा दृश्य मिलता है, जो पहले पहुंच से बाहर था।
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