Substrate-engineered tunable bound states in the continuum and directional radiation in dielectric metasurfaces

एक बड़ी तस्वीर: प्रकाश को एक भूत की तरह कैद करना

कल्पना कीजिए कि प्रकाश ऊर्जा से भरी मधुमक्खियों के एक झुंड की तरह है जो इधर-उधर मंडरा रहा है। आमतौर पर, जब मधुमक्खियां किसी दीवार से टकराती हैं, तो वे टकराकर वापस लौट जाती हैं या दूर उड़ जाती हैं। लेकिन भौतिकी (physics) की दुनिया में, एक विशेष तकनीक है जिसे बाउंड स्टेट इन द कंटीन्यूम (BIC) कहा जाता है। एक BIC को एक "भूतिया मधुमक्खी" (ghost bee) के रूप में सोचें जो एक दीवार के अंदर फंस गई है। यह अविश्वसनीय ऊर्जा के साथ कंपन करती है लेकिन बाहर निकलने से इनकार कर देती है, चाहे वह कितनी भी कोशिश क्यों न कर ले। क्योंकि यह इतनी सटीकता से फंसी हुई है, इसलिए इसमें ऊर्जा का एक विशाल भंडार जमा हो जाता है, जिसे वैज्ञानिक उच्च "Q फैक्टर" (एक माप कि ऊर्जा कितनी देर तक बनी रहती है) कहते हैं।

इस शोध पत्र का लक्ष्य यह पता लगाना है कि कैसे इन "भूतिया मधुमक्खियों" को पकड़ा जाए, उन्हें कैद रखा जाए, और फिर जब हम चाहें, उन्हें एक विशिष्ट दिशा में उड़ने के लिए धीरे से धकेला जाए।

सेटअप: जादुई सिलेंडर

शोधकर्ताओं ने प्रकाश को पकड़ने के लिए एक सूक्ष्म संरचना बनाई।

• सामग्री: एक ठोस ब्लॉक के बजाय, उन्होंने दो सामग्रियों की वैकल्पिक परतों से बना एक सिलेंडर इस्तेमाल किया: MoSe₂ (एक विशेष क्रिस्टल) और SiO₂ (कांच)। इसे पैनकेक के ढेर की तरह समझें जहाँ बैटर और सिरप (syrup) को एक विशिष्ट पैटर्न में बदला गया है।
• जादू: जब प्रकाश इस सिलेंडर से एक विशिष्ट रंग (1550 nm की तरंग दैर्ध्य, जिसका उपयोग फाइबर-ऑप्टिक इंटरनेट में किया जाता है) पर टकराता है, तो दो चीजें ठीक एक ही समय में होती हैं: सिलेंडर एक छोटे चुंबक (मैग्नेटिक डायपोल) और एक छोटे विद्युत स्पंदन (इलेक्ट्रिक क्वाड्रूपोल) की तरह कार्य करता है।
• परिणाम: ये दोनों प्रभाव एक-दूसरे को पूरी तरह से रद्द कर देते हैं। यह वैसा ही है जैसे दो लोग एक कार को विपरीत दिशाओं से समान बल के साथ धक्का दे रहे हों; कार हिलती नहीं है। इस मामले में, प्रकाश बिखरता नहीं है; यह फंस जाता है। यह "भूतिया मधुमक्खी" प्रभाव पैदा करता है।

भाग 1: तैरता हुआ मेटासरफेस (बिना सबस्ट्रेट के)

सबसे पहले, शोधकर्ताओं ने इन सिलेंडरों को हवा में एक ग्रिड में व्यवस्थित करके देखा।

• दर्पण प्रभाव: जब प्रकाश ऊपर से इस ग्रिड से टकराता है, तो यह पूरी तरह से वापस उछलता है, जिससे यह एक हाई-टेक दर्पण की तरह काम करता है।
• जाल: यदि आप ग्रिड के साथ बगल में चलते हुए प्रकाश को देखते हैं, तो आप केंद्र में "भूतिया मधुमक्खियों" (BICs) को पाएंगे। वे इतनी अच्छी तरह से फंसी हुई हैं कि उनका जीवनकाल लगभग अनंत है (10 मिलियन से अधिक का Q फैक्टर)। वे पूरी तरह से सममित (symmetrical) हैं, जिसका अर्थ है कि वे ऊपर या नीचे नहीं रिसती हैं।

भाग 2: एक "फर्श" के साथ नियमों को तोड़ना (सबस्ट्रेट)

वास्तविक दुनिया में, आप तैरते हुए दर्पणों को नहीं रख सकते; आपको उन्हें किसी चीज़ पर रखना होगा। आमतौर पर, किसी दर्पण को मेज (सबस्ट्रेट) पर रखने से जादू बिगड़ जाता है क्योंकि यह पूर्ण समरूपता को तोड़ देता है, जिससे प्रकाश बाहर निकल जाता है।

शोध पत्र पूछता है: क्या होगा अगर हम एक विशेष "फर्श" बनाएं जो जादू को खराब न करे, बल्कि वास्तव में हमें इसे नियंत्रित करने में मदद करे?

उन्होंने सिलिकॉन और कांच की वैकल्पिक परतों से बने तीन अलग-अलग प्रकार के "फर्श" (सबस्ट्रेट) डिजाइन किए।

1. "पूरी तरह से मेल खाने वाला" फर्श (प्रकार 1)

• उपमा: कल्पना कीजिए कि "भूतिया मधुमक्खी" एक गायक है जो एक सुर थामे हुए है। फर्श एक ऐसा कमरा है जिसकी ध्वनिकी (acoustics) एकदम सटीक है। यदि कमरा गायक के सुर के बिल्कुल अनुकूल है, तो ध्वनि कमरे के भीतर ही रहती है और तेज होती जाती है, लेकिन खिड़कियों से बाहर नहीं निकलती।
• क्या हुआ: उन्होंने एक ऐसा फर्श बनाया जहाँ परतें प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के बिल्कुल सही मोटाई की थीं।
• परिणाम: "भूतिया मधुमक्खी" फंसी रही! वास्तव में, जैसे-जैसे उन्होंने फर्श में परतें जोड़ीं, जाल और भी मजबूत होता गया (Q फैक्टर बढ़ गया)। प्रकाश उसी रंग (1550 nm) पर टिका रहा, जिसमें लगभग कोई बदलाव नहीं आया। यह सुपर-कुशल उपकरणों को बनाने के लिए बेहतरीन है।

2. "थोड़ा सा अलग" फर्श (प्रकार 2)

• उपमा: अब, कल्पना करें कि कमरा गायक के सुर के लिए थोड़ा बड़ा या छोटा है। ध्वनिकी अभी भी ठीक है, लेकिन गायक को सुर में रहने के लिए अपनी पिच को थोड़ा समायोजित करना पड़ता है।
• क्या हुआ: उन्होंने फर्श पर परतों का क्रम बदल दिया। फर्श ने अभी भी प्रकाश का समर्थन किया, लेकिन "भूतिया मधुमक्खी" को फिट होने के लिए अपना सुर थोड़ा बदलना पड़ा।
• परिणाम: प्रकाश का रंग (ब्लूशिफ्ट) थोड़ा बदल गया और जाल पहले की तुलना में उतना मजबूत नहीं था जितना हो सकता था। सिलेंडर और फर्श के बीच का संबंध थोड़ा बहुत "सख्त" था, जिससे कुछ ऊर्जा लीक हो गई।

3. "गलत सुर वाला" फर्श (प्रकार 3)

• उपमा: कल्पना कीजिए कि गायक को एक ऐसे कमरे में रखा गया है जो पूरी तरह से गलत आकार का है। ध्वनि तरंगें अराजक रूप से इधर-उधर टकराती हैं और तुरंत बाहर निकल जाती हैं।
• क्या हुआ: उन्होंने परतों की मोटाई बदल दी ताकि फर्श प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से बिल्कुल मेल न खाए।
• परिणाम: "भूतिया मधुमक्खी" फंसी नहीं रह सकी। प्रकाश तेजी से बाहर निकल गया, क्वालिटी फैक्टर (Q) गिर गया, और प्रकाश का रंग बेतहाशा बदल गया। जाल टूट गया।

बोनस: प्रकाश को दिशा देना (दिशात्मक रेडिएशन)

सबसे रोमांचक हिस्सा वह है जो तब होता है जब फर्श और सिलेंडर सही तरह से परस्पर क्रिया करते हैं।

• उपमा: कल्पना कीजिए कि एक स्प्रिंकलर (फव्वारा) है। आमतौर पर, यह एक घेरे में पानी छिड़कता है। लेकिन यदि आप इसके सामने एक विशिष्ट आकार रखते हैं, तो पानी केवल एक दिशा में निकलता है।
• क्या हुआ: फर्श की परतों की संख्या को समायोजित करके, शोधकर्ता यह बना सके कि फंसी हुई रोशनी एक विशिष्ट दिशा में "लीक" हो।
  • कभी-कभी यह फर्श में नीचे की ओर जाती है।
  • कभी-कभी यह हवा में ऊपर की ओर जाती है।
  • वे फर्श की परतों की मोटाई बदलकर ठीक से नियंत्रित कर सकते थे कि यह किस दिशा में और किस कोण पर जाएगी।

सारांश

यह शोध पत्र दिखाता है कि आपको केवल इसलिए "प्रकाश को कैद करने के जादू" को नष्ट करने की आवश्यकता नहीं है क्योंकि आपको इसे एक सबस्ट्रेट पर रखना है।

1. यदि आप सही मोटाई और पैटर्न के साथ सबस्ट्रेट (फर्श) बनाते हैं, तो आप प्रकाश को पूरी तरह से फंसा सकते हैं, और वास्तव में जैसे-जैसे आप अधिक परतें जोड़ते हैं, यह बेहतर होता जाता है।
2. यदि आप पैटर्न को थोड़ा गलत करते हैं, तो प्रकाश का रंग बदल जाता है और यह थोड़ा लीक हो जाता है।
3. यदि आप इसे बहुत गलत करते हैं, तो जाल पूरी तरह टूट जाता है।
4. सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि इस "फर्श" को ट्यून करके, आप फंसी हुई रोशनी को एक विशिष्ट दिशा में छोड़ने के लिए मजबूर कर सकते हैं, जो एक अत्यधिक नियंत्रणीय लेजर बीम की तरह कार्य करता है।

यह वैज्ञानिकों को तेज़ इंटरनेट और बेहतर सेंसर जैसी चीजों के लिए सूक्ष्म, कुशल ऑप्टिकल उपकरण बनाने का एक नया तरीका देता है, और यह सब प्रकाश के नीचे के "फर्श" की परतों के साथ खेलकर संभव होता है।