Photoinduced topological phase transition in monolayer 1T$^\prime$-MoS$_2$

परमाणुओं और इलेक्ट्रॉनों की इस छिपी हुई दुनिया में, सामग्रियाँ ऐसे व्यवहार कर सकती हैं जो साधारण भौतिकी को चुनौती देते हुए प्रतीत होते हैं। एक ऐसे पदार्थ की कल्पना करें जो अपने आंतरिक भाग में एक विसंवाहक (इन्सुलेटर) के रूप में कार्य करता है, जो बिजली के प्रवाह को रोकता है, फिर भी बिना किसी ऊर्जा हानि के अपने किनारों पर धारा का पूर्णतः संचालन करता है। यह टोपोलॉजिकल अवस्थाओं (topological phases) का क्षेत्र है, एक ऐसी पदार्थ अवस्था जो परमाणुओं की व्यवस्था से नहीं, बल्कि इलेक्ट्रॉन तरंगों के एक वैश्विक, अपरिवर्तनीय गुण द्वारा परिभाषित होती है। इस व्यवहार के लिए सबसे आशाजनक उम्मीदवारों में से एक मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड का एक विशिष्ट रूप है, जो मोलिब्डेनम और सल्फर परमाणुओं से बनी एक परमाणु-पतली परत है। अपने मानक रूप में, यह सामग्री एक अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) है, लेकिन जब इसकी परमाणु संरचना को ज़िगज़ैग पैटर्न में थोड़ा विकृत किया जाता है, तो यह एक क्वांटम स्पिन हॉल इंसुलेटर में बदल जाती है। इस अवस्था में, विपरीत स्पिन वाले इलेक्ट्रॉन समय-प्रतिवर्ती समरूपता (time reversal symmetry) द्वारा संरक्षित होकर, विपरीत दिशाओं में किनारों के साथ यात्रा करते हैं। हालाँकि, वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इन अवस्थाओं को मांग के अनुसार नियंत्रित करने का एक तरीका खोजा है, ताकि उन्हें बाहरी बलों का उपयोग करके चालू, बंद या पुनर्गठित किया जा सके, ठीक वैसे ही जैसे रेडियो को एक अलग स्टेशन पर ट्यून किया जाता है।

फ़िरदौसी यूनिवर्सिटी ऑफ मशहद के एक शोधकर्ता ने अब यह सटीक रूप से मानचित्रित किया है कि विकृत मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड परत में इस नियंत्रण को कैसे प्राप्त किया जाए। उन्होंने जांच की कि जब सामग्री को दो प्रतिस्पर्धी प्रभावों के अधीन रखा जाता है: ऊपर से लगाया गया एक स्थिर विद्युत क्षेत्र और उस पर चमकती एक वृत्तीय ध्रुवीकृत प्रकाश (circularly polarized light) की किरण, तो क्या होता है। जबकि विद्युत क्षेत्र स्वाभाविक रूप से सामग्री की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को बदल सकता है, प्रकाश एक गतिशील चालक के रूप में कार्य करता है, जो इलेक्ट्रॉनों को एक विशिष्ट घूर्णन पैटर्न में हिलाता है। शोधकर्ता ने पाया कि विद्युत क्षेत्र की शक्ति को प्रकाश की तीव्रता के विरुद्ध सावधानीपूर्वक संतुलित करके, वे सामग्री को कई नाटकीय परिवर्तनों से गुजरने के लिए मजबूर कर सकते हैं। ये सूक्ष्म बदलाव नहीं हैं बल्कि स्पष्ट चरण परिवर्तन (phase changes) हैं जहाँ सामग्री एक टोपोलॉजिकल अवस्था से दूसरी अवस्था में कूद जाती है, प्रभावी रूप से बिजली संचालित करने के अपने स्वयं के नियमों को फिर से लिखती है।

अध्ययन प्रकट करता है कि सामग्री केवल धीरे-धीरे नहीं बदलती है; इसके बजाय, यह विशिष्ट महत्वपूर्ण बिंदुओं (critical points) से गुजरती है जहाँ ऊर्जा अंतराल (energy gap), जो इसके चालक और चालक-रहित अवस्थाओं को अलग करता है, क्षण भर के लिए बंद हो जाता है और फिर एक नई विन्यास में पुनः खुल जाता है। प्रकाश की अनुपस्थिति में, सामग्री एक स्थिर क्वांटम स्पिन हॉल अवस्था या एक मानक इंसुलेटिंग अवस्था में मौजूद होती है, जो विद्युत क्षेत्र पर निर्भर करती है। लेकिन जब वृत्तीय ध्रुवीकृत प्रकाश पेश किया जाता है, तो यह उस समरूपता को तोड़ देता है जो आमतौर पर सामग्री की एज-करंट्स (edge currents) को सुरक्षित रखती है। यह शोधकर्ता को पूरी तरह से नए क्षेत्रों (regimes) में सिस्टम को निर्देशित करने की अनुमति देता है। उन्होंने परिवर्तनों के एक अनुक्रम की पहचान की जहाँ सामग्री एक क्वांटम स्पिन हॉल इंसुलेटर से एक स्पिन-ध्रुवीकृत क्वांटम हॉल इंसुलेटर में, और अंततः एक फोटो-प्रेरित क्वांटम हॉल इंसुलेटर में विकसित होती है। इन नई अवस्थाओं में, बिजली का प्रवाह अत्यधिक चयनात्मक हो जाता है, जो विशिष्ट स्पिन वाले इलेक्ट्रॉनों का पक्ष लेता है या सामग्री के ऊर्जा परिदृश्य के विशिष्ट वैलीज़ (valleys) के माध्यम से चलता है।

शोधकर्ता ने इन स्थितियों को सिम्युलेट करने के लिए एक सैद्धांतिक ढांचे का उपयोग किया, और गणना की कि विद्युत क्षेत्र के धक्के और प्रकाश के खिंचाव के संयुक्त प्रभाव के प्रति इलेक्ट्रॉन कैसे प्रतिक्रिया करेंगे। उन्होंने पाया कि परिणाम पूरी तरह से दोनों बलों के बीच के परस्पर क्रिया पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, यदि विद्युत क्षेत्र कमजोर है, तो प्रकाश सामग्री को उन परिवर्तनों के माध्यम से ले जा सकता है जहाँ पहले केवल एक प्रकार के इलेक्ट्रॉन स्पिन प्रभावित होते हैं, और उसके बाद दूसरे। यदि विद्युत क्षेत्र मजबूत है, तो इन घटनाओं का क्रम बदल जाता है, और सामग्री एक चरण को छोड़ सकती है या सीधे अवस्थाओं के बीच संक्रमण कर सकती है। प्रकाश एक सटीक ट्यूनिंग नॉब के रूप में कार्य करता है, जो इलेक्ट्रॉनों के प्रभावी द्रव्यमान (effective mass) को बदलकर सामग्री के टोपोलॉजिकल चरित्र को बदलने में सक्षम है। यह द्रव्यमान कोई भौतिक वजन नहीं है, बल्कि एक माप है कि इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल लैटिस के भीतर बलों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। इस द्रव्यमान को बदलकर, प्रकाश ऊर्जा अंतराल को बंद कर सकता है और सामग्री को अपनी इलेक्ट्रॉनिक संरचना को उलटने (invert) के लिए मजबूर कर सकता है, जिससे एक नया टोपोलॉजिकल चरण बनता है जो प्रकाश चालू होने से पहले अस्तित्व में नहीं था।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक एज-करंट्स की दिशा और प्रकृति को नियंत्रित करने की क्षमता है। फोटो-प्रेरित क्वांटम हॉल अवस्था में, सामग्री एक एकल दिशा में बहने वाली धारा का समर्थन करती है, जो एक गुण है जो आमतौर पर चुंबकीय क्षेत्रों से जुड़ा होता है। यहाँ, हालाँकि, चुंबकीय-समान प्रभाव शुद्ध रूप से घूमते हुए प्रकाश द्वारा उत्पन्न होता है। शोधकर्ता ने दिखाया कि प्रकाश के घूर्णन की दिशा को बदलकर, वे इस प्रभाव के चिह्न (sign) को उलट सकते हैं, जिससे करंट विपरीत दिशा में बहने लगता है। इस स्तर का नियंत्रण यह सुझाव देता है कि यह सामग्री भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए एक मंच के रूपད་ काम कर सकती है जहाँ सूचना इलेक्ट्रॉनों के आवेश के बजाय उनके स्पिन द्वारा ले जाई जाती है, जो तेज़ और अधिक कुशल कंप्यूटिंग की ओर एक मार्ग प्रदान करती है। अध्ययन पुष्टि करता है कि विकृत मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड की परत एक अत्यधिक ट्यूनेबल सिस्टम है, जो प्रकाश के साथ चालू और बंद की जा सकने वाली विविध गैर-संतुलन (non-equilibrium) टोपोलॉजिकल अवस्थाओं को होस्ट करने में सक्षम है।

यह कार्य यह भी स्पष्ट करता है कि ये संक्रमण किन विशिष्ट परिस्थितियों में होते हैं। शोधकर्ता ने प्रत्येक परिवर्तन को ट्रिगर करने के लिए आवश्यक प्रकाश तीव्रता और विद्युत क्षेत्र शक्ति के सटीक थ्रेशोल्ड (सीमाओं) की गणना की। उन्होंने पाया कि संक्रमण एक अनुमानित अनुक्रम में होते हैं, जो प्रकाश-प्रेरित बलों और विद्युत क्षेत्र के बीच प्रतिस्पर्धा द्वारा शासित होते हैं। कुछ परिदृश्यों में, सामग्री एक मध्यवर्ती अवस्था से गुजरती है जहाँ केवल एक स्पिन चैनल चालक होता है, जिससे एक स्पिन-ध्रुवीकृत करंट बनता है। अन्य मामलों में, दोनों चैनल एक ही दिशा में चालक बन जाते हैं, जिससे एक मजबूत, क्वांटाइज्ड करंट बनता है। अध्ययन इन संभावनाओं का एक विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है, जो दिखाता है कि बाहरी मापदंडों को समायोजित करने पर सामग्री का व्यवहार कैसे बदलता है। यह मानचित्र केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; यह उन प्रयोगवादियों के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है जो प्रयोगशाला में इन अवस्थाओं को बनाना चाहते हैं।

अंततः, अनुसंधान प्रदर्शित करता है कि इस द्वि-आयामी सामग्री के टोपोलॉजिकल गुण केवल इसके रासायनिक संगठन द्वारा निर्धारित नहीं होते हैं, बल्कि उन्हें गतिशील रूप से इंजीनियर किया जा सकता है। प्रकाश और विद्युत क्षेत्रों का उपयोग करके विभिन्न टोपोलॉजिकल चरणों के बीच स्विच करने की क्षमता क्वांटम अवस्थाओं के हेरफेर के लिए नई संभावनाएं खोलती है। सामग्री एक उत्तरदायी माध्यम के रूप में कार्य करती है, जो वास्तविक समय में अपने आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक परिदृश्य को नया आकार देती है। यह सुझाव देता है कि भविष्य के उपकरणों को अपनी कार्यक्षमता को स्वयं पुनर्गठित करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है, जो केवल उन पर लागू किए गए प्रकाश या वोल्टेज को बदलकर विभिन्न कार्यों के अनुकूल हो सकते हैं। ये निष्कर्ष गैर-संतुलन टोपोलॉजिकल भौतिकी की खोज के लिए एक स्पष्ट मार्ग स्थापित करते हैं, जहाँ सामग्री के नियम उन बलों द्वारा लिखे जाते हैं जो उस पर कार्य करते हैं, न कि स्वयं परमाणुओं द्वारा।