Near-Field Characterisation of Guided Modes in WS2 Nanobeams and Quasi-Bulk Crystals

कल्पना कीजिए कि आप प्रकाश के यात्रा करने के लिए एक सुपर-फास्ट, नन्हा शहर बनाने की कोशिश कर रहे हैं, ठीक वैसे ही जैसे हम कारों के लिए शहर बनाते हैं। इस शहर में, "सड़कें" वेवगाइड्स (waveguides) कहलाती हैं, और "कारें" प्रकाश की किरणें हैं। लंबे समय तक, हमने सिलिकॉन (जैसे कंप्यूटर चिप्स) का उपयोग प्रकाश के लिए सड़कें बनाने के लिए किया है, लेकिन सिलिकॉन में कुछ समस्याएं हैं: प्रकाश के कुछ रंगों के साथ इसे काम करना कठिन है, और यह प्रकाश को हमारी इच्छा के अनुसार बहुत बारीकी से निर्देशित नहीं कर पाता है।

यहाँ WS2 (टंगस्टन डिसल्फाइड) का प्रवेश होता है। WS2 को एक नए, सुपर-स्पेशल प्रकार के "ऑप्टिकल डामर" के रूप में समझें। यह अविश्वसनीय रूप से पतली, परतों वाली चादरों (कागज के ढेर की तरह) से बना है जिसमें कुछ जादुई गुण हैं: यह प्रकाश को बहुत कम जगह में सिकोड़ सकता है और इसे बहुत कम नुकसान के साथ निर्देशित कर सकता है, विशेष रूप से उन रंगों के लिए जिन्हें हमारी आँखें देख सकती हैं और निकट-अवरक्त (near-infrared) रेंज के लिए।

हालाँकि, इस नए पदार्थ से अपना प्रकाश-शहर बनाने से पहले, हमें दो बड़े सवालों के जवाब देने होंगे:

1. सड़क कितनी "चिपचिपी" है? (क्या पदार्थ प्रकाश को सोख लेता है और उसे रोक देता है, या यह इसे गुजरने देता है?)
2. सड़क प्रकाश को कितनी अच्छी तरह निर्देशित करती है? (क्या प्रकाश सड़क पर रहता है, या यह बाहर निकल जाता है?)

यह शोध पत्र एक टीम के जासूसों की तरह है जो इन सवालों के जवाब देने के लिए हाई-टेक फ्लैशलाइट्स का उपयोग कर रहे हैं।

"चिपचिपी" सड़क का रहस्य (अवशोषण/Absorption)

वैज्ञानिक जानते थे कि WS2 अच्छा है, लेकिन वे ठीक से नहीं जानते थे कि जब प्रकाश का रंग ऐसा न हो जिससे पदार्थ चमक उठे, तो वह कितना प्रकाश "खा" (सोख) लेता है। विभिन्न पिछले अध्ययनों ने बहुत अलग-अलग उत्तर दिए—कुछ ने कहा कि यह प्रकाश के लिए लगभग अदृश्य है, दूसरों ने कहा कि यह काफी चिपचिपा है।

इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने कैविटी-एन्हांस्ड इमेजिंग (Cavity-Enhanced Imaging) नामक एक विशेष उपकरण का उपयोग किया। कल्पना कीजिए कि आप शोर भरे कमरे में एक फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। यदि आप फुसफुसाने वाले को एक छोटे, गूँजने वाले बॉक्स (कैविटी) में रखते हैं, तो ध्वनि उसमें टकराकर और तेज हो जाती है, जिससे उसे सुनना आसान हो जाता है। उन्होंने प्रकाश के साथ भी यही किया। WS2 के एक टुकड़े के साथ एक छोटे से बॉक्स में प्रकाश को फँसाकर, वे सटीक रूप से माप सके कि पदार्थ ने कितना प्रकाश अवशोषित किया।

फैसला: उन्होंने पाया कि WS2 दृश्य और निकट-अवरक्त रेंज में वास्तव में बहुत पारदर्शी (कम अवशोषण) है, लेकिन यह पूरी तरह से स्पष्ट नहीं है। यह इन रंगों के लिए सिलिकॉन जितना ही "चिपचिपा" है। इसका मतलब है कि यह सूक्ष्म, कम दूरी के प्रकाश सर्किटों (माइक्रोन) के लिए बेहतरीन है, लेकिन शायद अभी बहुत लंबी दूरी के विशाल प्रकाश राजमार्गों (वेफर-स्केल) के लिए नहीं।

फ्लैशलाइट डिटेक्टिव (s-SNOM)

इन नन्हे WS2 मार्गों के अंदर प्रकाश कैसे यात्रा करता है, यह देखने के लिए टीम ने s-SNOM नामक उपकरण का उपयोग किया।

कल्पना कीजिए कि आप एक तालाब की लहरों को देखने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन तालाब इतना छोटा है कि आप उसे अपनी आँखों से नहीं देख सकते। आप एक बहुत ही तेज, कंपन करती हुई सुई (एक छोटे ट्यूनिंग फोर्क की तरह) लेते हैं और सतह को धीरे से थपथपाते हैं। जैसे-जैसे सुई चलती है, यह प्रकाश की एक छोटी सी लहर पैदा करती है जो टिप के ठीक नीचे की लहरों को रोशन करने वाले फ्लैशलाइट की तरह काम करती है।

इस प्रयोग में, "सुई" WS2 क्रिस्टल पर कंपन करने वाला एक धातु का टिप है। जब लेजर टिप से टकराता है, तो यह WS2 मार्ग में जुड़ने के लिए प्रकाश का एक छोटा सा विस्फोट पैदा करता है। प्रकाश सड़क के नीचे यात्रा करता है, किनारे से टकराता है, और वापस लौट आता है। सुई सीधे टिप से आने वाले प्रकाश और किनारे से वापस आने वाले प्रकाश के बीच के हस्तक्षेप (interference) का पता लगाती है। यह "फ्रिंज" (जेब्रा की धारियों की तरह) का एक पैटर्न बनाता है जो वैज्ञानिकों को सटीक रूप से बताता है कि प्रकाश कैसे चल रहा है।

सड़कों पर उन्हें क्या मिला

उन्होंने सड़क के दो प्रकार के "लेन" देखे:

1. TE लेन: प्रकाश तरंगें जो अगल-बगल (side-to-side) कंपन करती हैं।
2. TM लेन: प्रकाश तरंगें जो ऊपर-नीचे (up-and-down) कंपन करती हैं।

TE लेन (अगल-बगल):
यह लेन प्रकाश को सीमित रखने में बहुत अच्छी है, लेकिन जैसे-जैसे प्रकाश का रंग बदलता है (लाल होता है), प्रकाश अधिक "लीक" होने लगता है। शोधकर्ताओं ने एक सीधा संबंध पाया: जितना अधिक प्रकाश सड़क से बाहर लीक होता है, उतना ही अधिक यह सड़क की सतह पर मौजूद सूक्ष्म उभारों द्वारा बिखरा (scattered) जाता है, जिससे यह तेजी से खत्म हो जाता है। यह एक ऊबड़-खाबड़ सड़क पर कार चलाने जैसा है; यदि कार पहले से ही जमीन के बहुत करीब है (कम सीमित है), तो उभार उसे रास्ते से भटका देते हैं।

TM लेन (ऊपर-नीचे):
यह लेन अधिक पेचीदा है। बहुत पतली सड़कों में, इस प्रकार का प्रकाश सड़क पर बिल्कुल नहीं रहता; यह सीधे नीचे आधार (substrate) में रिस जाता है। हालाँकि, मोटे हिस्सों में, यह स्थिर रहता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह लेन TE लेन से अलग व्यवहार करती है, और जैसे-जैसे प्रकाश लाल होता जाता है, यह कम नुकसानदेह होती जाती है क्योंकि यह सतह के उभारों के साथ कम परस्पर क्रिया करती है।

"संकरी सड़क" की समस्या (Nanobeams)

टीम ने WS2 सड़कों का भी परीक्षण किया जिन्हें केवल कुछ सौ नैनोमीटर चौड़े बीमों में तराशा गया था (मानव बाल से भी पतला)।

यहाँ, उन्होंने एक छिपी हुई समस्या की खोज की। जब सड़क इतनी संकरी होती है कि वह प्रकाश की तरंग के आकार के लगभग बराबर होती है, तो प्रकाश केवल बीच में सीधा नहीं चलता। यह एक जटिल हस्तक्षेप पैटर्न बनाता है, जैसे एक संकरी घाटी की दीवारों से टकराती लहरें।

यदि आप सड़क के बीच में प्रकाश की गति को मापने की कोशिश करते हैं, तो आपको गलत उत्तर मिल सकता है क्योंकि प्रकाश वास्तव में सड़क की चौड़ाई में आगे-पीछे उछल रहा होता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि आप पूरी चौड़ाई को नहीं देखते हैं, तो आपको लग सकता है कि प्रकाश वास्तव में जितना चल रहा है उससे धीमा चल रहा है। यह केवल कार के बाएं टायर को देखकर उसकी गति मापने जैसा है; यदि कार लहरा रही है, तो आपका माप गलत होगा।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र भविष्य के प्रकाश-आधारित कंप्यूटरों के लिए WS2 के एक पदार्थ के रूप में "क्वालिटी कंट्रोल" रिपोर्ट है।

• अच्छी खबर: WS2 सूक्ष्म, एकीकृत सर्किटों में प्रकाश को निर्देशित करने के लिए एक शानदार पदार्थ है। इसमें नुकसान कम है और यह प्रकाश को बहुत छोटी जगहों में सिकोड़ सकता है।
• बुरी खबर: यह पूर्ण नहीं है। बहुत लंबी दूरियों के लिए यह हमारी इच्छा से थोड़ा अधिक प्रकाश सोखता है, और इसे मापना कठिन है क्योंकि बहुत छोटी, संकरी संरचनाओं में प्रकाश अजीब तरह से व्यवहार करता है।
• उपकरण: उन्होंने साबित किया कि "फ्लैशलाइट सुई" (s-SNOM) इन प्रकाश सड़कों की गुणवत्ता की जांच करने का एक शानदार तरीका है, बशर्ते आप उन पैटर्न को समझना जानते हों जो वह देखती है।

संक्षेप में, WS2 अगली पीढ़ी के सूक्ष्म, तेज़ ऑप्टिकल चिप्स के लिए एक आशाजनक नया पदार्थ है, लेकिन इंजीनियरों को विवरणों में खो जाने से बचने के लिए सड़कों को डिजाइन करने और यातायात को मापने के तरीके के प्रति बहुत सावधान रहने की आवश्यकता है।