Highly sensitive detection for infrared photons by non-degenerate two-photon absorption under mid-infrared pumping
यह शोध पत्र एक सिलिकॉन एवलांच फोटोडायोड का उपयोग करके नॉन-डीजेनरेट टू-फोटोन अवशोषण के माध्यम से एक अत्यधिक संवेदनशील, कमरे के तापमान वाले इन्फ्रारेड फोटॉन काउंटिंग पद्धति को प्रदर्शित करता है जिसे मिड-इन्फ्रारेड क्षेत्र द्वारा पंप किया जाता है, जो लगभग का सिग्नल एन्हांसमेंट फैक्टर प्राप्त करता है और पारंपरिक नियर-इन्फ्रारेड पंपिंग योजनाओं की तुलना में शोर को काफी कम करता है।
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कल्पना कीजिए कि आप एक बहुत ही शोर वाले कमरे में एक नन्ही, फुसफुसाती हुई चिड़िया (एक इन्फ्रारेड फोटॉन) को सुनने की कोशिश कर रहे हैं। आमतौर पर, उस पक्षी की फुसफुसाहट इतनी धीमी होती है कि कमरे का बैकग्राउंड शोर उसे पूरी तरह से दबा देता है। यह मुख्य समस्या है जिसका सामना वैज्ञानिक इन्फ्रारेड प्रकाश का पता लगाने की कोशिश करते समय करते हैं, विशेष रूप से कमरे के सामान्य तापमान (रूम टेम्परेचर) पर: "शोर" बहुत तेज़ है और "फुसफुसाहट" बहुत धीमी है।
यह शोध पत्र इस समस्या को हल करने के लिए एक चतुर नए तरीके का वर्णन करता है, जिसमें एक सिलिकॉन डिटेक्टर (एक सामान्य लाइट सेंसर) और एक विशेष "लाउडस्पीकर" तकनीक का उपयोग किया गया है।
समस्या: "फुसफुसाहट" बनाम "गरज"
इन्फ्रारेड प्रकाश में ऊर्जा कम होती है। सिलिकॉन डिटेक्टर को इसे "देखने" के योग्य बनाने के लिए, आपको आमतौर पर एक ही बार में बहुत अधिक ऊर्जा से टकराने की आवश्यकता होती है।
- पुराना तरीका: वैज्ञानिक सिग्नल को बढ़ाने के लिए एक शक्तिशाली लेजर बीम (पंप) का उपयोग करने की कोशिश करते थे। हालाँकि, वह शक्तिशाली लेजर इतना शक्तिशाली था कि उसने अपना स्वयं का शोर (जैसे कमरे में एक गरज) पैदा कर दिया, जिसने अक्सर उसी सिग्नल को दबा दिया जिसे वे खोजने की कोशिश कर रहे थे। यह बिल्कुल वैसा ही था जैसे किसी के चिल्लाने के बीच में उसकी फुसफुसाहट सुनने की कोशिश करना।
- सीमा: यदि वे शोर को कम करने के लिए लेजर की शक्ति कम करते, तो सिग्नल बहुत कमजोर हो जाता जिससे उसे पहचानना मुश्किल होता। यदि वे इसे बढ़ाते, तो शोर बहुत अधिक हो जाता।
समाधान: "दो लोगों की टीम"
शोधकर्ताओं ने एक नई विधि विकसित की है जिसे नॉन-डीजेनरेट टू-फोटॉन एब्जॉर्प्शन (ND-2PA) कहा जाता है। यह कैसे काम करता है, इसे एक सरल उदाहरण से समझते हैं:
कल्पना कीजिए कि सिलिकॉन डिटेक्टर एक भारी दरवाजा है जो फंसा हुआ है। आपको दरवाजे को हिलाने के लिए दो लोगों द्वारा एक ही समय पर धक्का देने की आवश्यकता है।
- व्यक्ति A (सिग्नल): यह वह हल्का इन्फ्रारेड प्रकाश है जिसे आप डिटेक्ट करना चाहते हैं। यह दरवाजे को धकेलने के लिए अपने आप में बहुत कमजोर है।
- व्यक्ति B (पंप): यह एक शक्तिशाली लेजर बीम है।
पुरानी रणनीति (डीजेनरेट): दोनों व्यक्तियों ने एक ही तरह के भारी जूते (समान वेवलेंथ) पहने हुए थे। जब वे धक्का देते, तो "पंप" व्यक्ति के भारी जूतों ने बहुत अधिक घर्षण और शोर पैदा किया, जिससे यह बताना मुश्किल हो गया कि दरवाजा सिग्नल वाले व्यक्ति के कारण हिला या केवल पंप वाले व्यक्ति की अपनी गति के कारण।
नई रणनीति (नॉन-डीजेनरेट):
शोधकर्ताओं ने "पंप" व्यक्ति के जूते बदल दिए। उन्होंने उन्हें विशेष प्रकार के जूते (3 माइक्रोमीटर पर एक मिड-इन्फ्रारेड लेजर) दिए जो इतने हल्के हैं कि वे अपने आप में कोई घर्षण या शोर पैदा नहीं करते।
- "पंप" व्यक्ति अब बिना किसी शोर के जितना चाहे उतना जोर से धक्का दे सकता है।
- जब "सिग्नल" वाला व्यक्ति (हल्का इन्फ्रारेड प्रकाश) साथ जुड़ता है, तो दरवाजा खुल जाता है।
- क्योंकि "पंप" व्यक्ति शांत है, इसलिए दरवाजा तभी खुलता है जब "सिग्नल" वाला व्यक्ति वहां मौजूद होता है।
परिणाम: अनसुनी को सुनना
इस "साइलेंट पंप" रणनीति का उपयोग करके, टीम ने अविश्वसनीय परिणाम प्राप्त किए:
- कमरे में शांति: उन्होंने उस बैकग्राउंड शोर को खत्म कर दिया जो आमतौर पर पंप लेजर से आता है। पुराने तरीकों की तुलना में शोर का स्तर 100 गुना (दो ऑर्डर ऑफ मैग्नीट्यूड) कम हो गया।
- अत्यधिक संवेदनशीलता: वे इन्फ्रारेड पल्स को डिटेक्ट करने में सक्षम थे जो इतने कमजोर थे कि उनमें केवल कुछ हजार फोटॉन (फेम्टोजूल स्तर पर ऊर्जा) शामिल थे।
- बढ़ावा: पुराने तरीके की तुलना में इन सिग्नल्स को गिनने की क्षमता में 100,000 (10 की घात 5) गुना का सुधार हुआ।
एक पेच: "गर्म दरवाजा"
शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि कुछ दिलचस्प। यदि "पंप" व्यक्ति बहुत ज़ोर से या बहुत लंबे समय तक धक्का देता है, तो दरवाजा (डिटेक्टर) गर्म हो जाता है। जब यह गर्म होता है, तो यह थोड़ा सुस्त हो जाता है और काउंटिंग रेट गिरने लगता है। यह उन्हें बताता है कि सर्वोत्तम परिणामों के लिए, उन्हें गर्मी को प्रबंधित करने की आवश्यकता है, लेकिन यह तरीका फिर भी अविश्वसनीय रूप से अच्छा काम करता है।
यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह नया सेटअप एक शोर वाले, पुराने रेडियो से अपग्रेड होकर एक हाई-फिडेलिटी, साइलेंट माइक्रोफोन जैसा है। यह निम्नलिखित कार्यों के लिए उपयोग किया जा सकता है:
- कमरे के तापमान पर संचालन: इसे काम करने के लिए उपकरणों को जमाने (फ्रीज करने) की आवश्यकता नहीं है।
- कोई जटिल अलाइनमेंट नहीं: इसके लिए कठिन "फेज-मैचिंग" समायोजन की आवश्यकता नहीं है।
- व्यापक दृष्टि: यह इन्फ्रारेड रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला को देख सकता है।
शोध पत्र सुझाव देता है कि इसका उपयोग दूर से दूरी मापने (रिमोट रेंजिंग), रसायनों की सूक्ष्म मात्रा को महसूस करने (सेंसिटिव सेंसिंग), जैविक नमूनों को देखने (बायोकेमिकल इमेजिंग), और पदार्थों के सूक्ष्म अंशों का विश्लेषण करने (ट्रेस स्पेक्ट्रोस्कोपी) के लिए किया जा सकता है।
संक्षेप में, उन्होंने एक मानक सिलिकॉन डिटेक्टर को इन्फ्रारेड प्रकाश की सबसे हल्की फुसफुसाहट को "सुनने" का तरीका खोज लिया है, जिसमें एक विशेष, शांत सहायक लेजर का उपयोग किया गया है जो अपने आप में कोई शोर पैदा नहीं करता है।
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