Structural Relaxation Enables Millisecond Infrared Photodetection in Selenium Iodine Semiconductors

अदृश्य आँख और स्लो-मोशन मूवी

कल्पना कीजिए कि आप किसी ऐसी चीज़ की तस्वीर लेने की कोशिश कर रहे हैं जो नग्न आंखों से अदृश्य है, जैसे कि कॉफी के कप से निकलती गर्मी या आपके पसंदीदा वीडियो गेम को ले जाने वाले फाइबर-ऑप्टिक केबल का सिग्नल। यह इन्फ्रारेड फोटोडिटेक्टर्स का काम है, वे "आंखें" जो हमें उस गर्मी और रोशनी को देखने में मदद करती हैं जिसे हम सामान्य रूप से महसूस नहीं कर सकते। ये उपकरण नाइट-विज़न गॉगल्स और थर्मल कैमरों से लेकर हमारे संसार को जोड़ने वाले इंटरनेट केबलों तक, हर चीज़ के पीछे के गुमनाम नायक हैं। हालाँकि, इन आँखों को बनाना कठिन है। उन्हें तेज़ संकेतों को पकड़ने के लिए पर्याप्त तेज़, हल्की गर्मी को देखने के लिए पर्याप्त संवेदनशील और हर जगह उपयोग करने के लिए पर्याप्त सस्ता होना चाहिए।

दशकों से, वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो इन तीनों काम कर सकें। एक आशाजनक उम्मीदवार सेलेनियम और आयोडीन का मिश्रण है। इस सामग्री को एक ऐसे तरल की तरह समझें जो ठंडा होने पर ठोस बन जाता है, ठीक वैसे ही जैसे जार में शहद सख्त हो जाता है। लेकिन यहाँ एक पेच है: जब यह मिश्रण पहली बार जमता है, तो यह थोड़ा अस्त-व्यस्त होता है। यह एक अंधेरे कमरे में लोगों की भीड़ की तरह है जो आपस में टकरा रहे हैं, जिससे किसी के लिए भी तेज़ी से हिलना मुश्किल हो जाता है। वैज्ञानिक शब्दों में, इस "अस्त-व्यस्त" अवस्था को 'ग्लासी फेज' (कांच जैसी अवस्था) कहा जाता है, और यह सामग्री को प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया देने में धीमा बना देता है। बड़ा सवाल यह था: क्या हम सामग्री को पिघलाए बिना और फिर से शुरू किए बिना इस गड़बड़ी को ठीक कर सकते हैं?

धीमी गति वाली सामग्री की कहानी

इस अध्ययन में, बेंगलुरु स्थित भारतीय विज्ञान संस्थान के एक शोधकर्ता बिमन जाना ने एक विचित्र सेलेनियम-आयोडीन मिश्रण की जांच करने का निर्णय लिया। वह देखना चाहते थे कि क्या यह सामग्री एक सुपर-फास्ट इन्फ्रारेड डिटेक्टर बन सकती है, लेकिन पहले उन्हें एक रहस्य सुलझाना था: यह इतनी धीमी क्यों थी?

धीमी गति का रहस्य
जब शोधकर्ता ने पहली बार यह सामग्री बनाई, तो इसने एक सुस्त घोंघे की तरह व्यवहार किया। यदि आप इस पर रोशनी डालते, तो विद्युत धारा (इलेक्ट्रिकल करंट) को बढ़ने में लंबा समय लगता और वापस गिरने में उससे भी अधिक समय लगता। यह गाढ़े कीचड़ के गड्ढे में दौड़ने की कोशिश करने जैसा था; इलेक्ट्रॉन (बिजली ले जाने वाले सूक्ष्म कण) फंस रहे थे। शोधकर्ता ने पाया कि ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि सामग्री, जमने के तुरंत बाद, एक अव्यवस्थित, "ग्लासी" अवस्था में थी। यह खिलौनों के एक बिखरे हुए ढेर जैसा था जहाँ कुछ भी अपनी सही जगह पर नहीं था, जिससे विद्युत संकेतों का सुचारू रूप से यात्रा करना कठिन हो गया था।

वर्टिकल बनाम हॉरिजॉन्टल पहेली
यह समझने के लिए कि क्या हो रहा था, शोधकर्ता ने दो अलग-अलग प्रकार के डिटेक्टर बनाए।

1. वर्टिकल सैंडविच (Vertical Sandwich): उन्होंने सामग्री को ऊपर और नीचे की परत के बीच रखा, जैसे कि एक क्लब सैंडविच। लेकिन यह अच्छा काम नहीं कर पाया। उन्होंने पाया कि सामग्री सैंडविच में पूरी तरह एक समान नहीं थी। सैंडविच के निचले हिस्से में, जो फर्श के करीब था, चालकता (conductivity) ऊपरी हिस्से की तुलना में बहुत अधिक थी। ऐसा लग रहा था जैसे मिश्रण के तत्व ठंडा होते समय अलग हो गए हों, जिसमें अधिक आयोडीन नीचे बैठ गया और कम ऊपर। इस असमानता के कारण विद्युत संकेत खो जाते थे और विलंबित हो जाते थे।
2. हॉरिजॉन्टल हाईवे (Horizontal Highway): इसके बाद, उन्होंने एक अलग डिज़ाइन आजमाया। परतों को एक के ऊपर एक रखने के बजाय, उन्होंने सामग्री को आपस में जुड़े हुए उंगलियों जैसे इलेक्ट्रोड्स पर फैला दिया, जैसे कि लेन वाला एक सड़क। यह सेटअप बहुत बेहतर था, लेकिन यहाँ भी, सामग्री अभी भी बहुत धीमी थी। इसे प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया करने में सेकंड लग रहे थे, जो आधुनिक तकनीक के लिए बहुत धीमा है जिसे मिलीसेकंड में प्रतिक्रिया देने की आवश्यकता होती है।

"स्ट्रक्चरल रिलैक्सेशन" का जादू
बड़ी सफलता तब मिली जब शोधकर्ता को एहसास हुआ कि उन्हें रेसिपी बदलने की ज़रूरत नहीं है; उन्हें बस सामग्री को "शांत" होने के लिए थोड़ा समय देने की ज़रूरत है। उन्होंने फ्लैट, हॉरिजॉन्टल डिवाइस को लंबे समय तक—कभी-कभी दो साल तक!—छोड़ दिया। इस दौरान, स्ट्रक्चरल रिलैक्सेशन (संरचनात्मक विश्रांति) नामक एक प्रक्रिया हुई।

एक अव्यवस्थित कमरे की कल्पना करें जहाँ खिलौने हर जगह बिखरे हुए हैं। यदि आप कमरे को लंबे समय तक अकेला छोड़ देते हैं, तो खिलौने जादुई रूप से खुद को व्यवस्थित नहीं करते हैं। लेकिन यदि आप बॉक्स को धीरे से हिलाते हैं या कमरे को स्थिर होने देते हैं, तो खिलौने अंततः व्यवस्थित ढेरों में खुद को व्यवस्थित कर सकते हैं। इसी तरह, सेलेनियम-आयोडीन सामग्री ने धीरे-धीरे अपनी आंतरिक संरचना को एक अव्यवस्थित, ग्लास जैसी ढेर से एक व्यवस्थित, क्रमबद्ध पैटर्न में बदल लिया जिसे "लैमेलर स्ट्रक्चर" (जैसे कि करीने से तह किए गए पैनकेक्स का ढेर) कहा जाता है।

परिणाम: घोंघे से खरगोश तक
एक बार जब यह "साफ तहबंदी" हो गई, तो सामग्री बदल गई।

• गति: प्रतिक्रिया समय आसमान छू गया। सेकंड लगने के बजाय, सामग्री अब केवल 4.3 मिलीसेकंड में प्रतिक्रिया देने लगी। यह लगभग 1,000 गुना तेज़ है! यह एक घोंघे के रेंगने और एक खरगोश के कूदने के बीच का अंतर है।
• संवेदनशीलता: सामग्री प्रकाश का पता लगाने में अविश्वसनीय रूप से अच्छी हो गई। यह 1550 nm (जो दूरसंचार में उपयोग किया जाता है) की तरंग दैर्ध्य पर और दृश्य प्रकाश (visible light) को भी पकड़ सकती थी, जिसकी संवेदनशीलता इतनी अधिक थी कि यह केवल ब्रह्मांड के मौलिक शोर (शॉट नॉइज़) द्वारा सीमित थी।
• इमेजिंग: शोधकर्ता ने साबित किया कि यह नई गति उपयोगी है। उन्होंने थर्मल इमेज बनाने के लिए डिटेक्टर का उपयोग किया। उन्होंने इस डिटेक्टर का उपयोग करके गर्मी से बने आकारों को देखा, जैसे कि "IISc" और "SSCU" अक्षर, और यहाँ तक कि एक स्माइली फेस भी, जो 150°C जैसे कम तापमान पर भी स्पष्ट थे। छवियां साफ और सटीक थीं, जिससे पता चला कि इस सामग्री का उपयोग व्यावहारिक थर्मल कैमरों के लिए किया जा सकता है।

शोधकर्ता ने किन चीजों को खारिज किया
अध्ययन में सावधानीपूर्वक यह बताया गया कि सुधार का कारण क्या नहीं था।

• यह केवल डिवाइस का आकार नहीं था। फ्लैट "हाईवे" डिज़ाइन के साथ भी, सामग्री तब तक धीमी रही जब तक कि वह पुरानी (age) नहीं हो गई।
• यह कोई रासायनिक परिवर्तन नहीं था जहाँ नए तत्व जोड़े गए हों। सामग्री वही थी; बस वह समय के साथ खुद को बेहतर ढंग से व्यवस्थित कर रही थी।
• "अव्यवस्थित" वर्टिकल परतें ही एकमात्र समस्या नहीं थीं; सामग्री की स्वयं की अव्यवस्थित आंतरिक संरचना ही मुख्य कारण थी जिसने इसे पीछे रखा था।

निष्कर्ष
यह पेपर सुझाव देता है कि केवल सेलेनियम-आयोडीन सामग्रियों को समय के साथ "रिलैक्स" होने और खुद को व्यवस्थित होने देने से, हम एक धीमी, सुस्त पदार्थ को एक हाई-स्पीड इन्फ्रारेड डिटेक्टर में बदल सकते हैं। यह यह समझने जैसा है कि किसी अव्यवस्थित कमरे को ठीक करने का सबसे अच्छा तरीका सब कुछ फेंक देना और नया फर्नीचर खरीदना नहीं है, बल्कि बस कमरे को थोड़ा समय देना है ताकि चीजें अपनी प्राकृतिक व्यवस्था पा सकें। यह खोज सस्ते, लचीले और तेज़ इन्फ्रारेड कैमरे बनाने का मार्ग प्रशस्त करती है जो एक दिन हमारे रोजमर्रा के जीवन में गर्मी को देखने में मदद कर सकते हैं, जैसे कि ओवरहीटिंग इलेक्ट्रॉनिक्स की जाँच करना या अंधेरे में देखना।