Gallium phosphide on insulator for nanophotonics and quantum technologies
यह शोध पत्र आयन स्लाइसिंग और बॉन्डिंग तकनीकों के माध्यम से उच्च-गुणवत्ता वाले, एकल-क्रिस्टलीय गैलियम फॉस्फाइड-ऑन-इंसुलेटर सबस्ट्रेट्स के निर्माण को प्रदर्शित करता है, जो उन्नत नैनोफोटोनिक और क्वांटम अनुप्रयोगों के लिए सामग्री के उत्कृष्ट रैखिक और गैर-रैखिक ऑप्टिकल गुणों को संरक्षित करता है।
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नन्हे प्रकाश यंत्रों की खोज
कल्पना कीजिए कि आप एक सुपर-फास्ट कंप्यूटर बनाने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन बिजली के बजाय आप प्रकाश की किरणों का उपयोग करते हैं। यह "नैनोफोटोनिक्स" (nanophotonics) का सपना है, एक ऐसा क्षेत्र जहाँ वैज्ञानिक विशाल ऑप्टिकल सिस्टम को रेत के कण के आकार तक छोटा कर देते हैं। इन नन्हे प्रकाश यंत्रों को काम करने के योग्य बनाने के लिए, आपको ऐसे पदार्थों की आवश्यकता होती है जो प्रकाश को बिना खोए तेजी से मोड़ सकें, और ऐसे पदार्थ जो प्रकाश का रंग बदल सकें या क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए उलझे हुए फोटॉन (entangled photons) के जोड़े बना सकें।
प्रकाश को एक शर्मीले नर्तक के रूप में सोचें। यदि मंच बहुत बड़ा है या फर्श चिपचिपा है, तो नर्तक थक जाएगा और रुक जाएगा। माइक्रोचिप्स की दुनिया में, "सिलिकॉन" सबसे लोकप्रिय डांस फ्लोर है, लेकिन इसमें एक गुप्त कमजोरी है: यह अपने आप प्रकाश की लय (एक गुण जिसे नॉनलिनियैरिटी कहा जाता है) को नहीं बदल सकता। अन्य पदार्थ, जैसे लिथियम नाइओबेट (lithium niobate), लय को बदल सकते हैं, लेकिन उन्हें सिकोड़ना कठिन है क्योंकि वे प्रकाश को पर्याप्त मजबूती से थाम नहीं पाते। वैज्ञानिक एक "सुपर-मटेरियल" की तलाश में थे जो एक सख्त नर्तक का फर्श भी हो और लय बदलने वाला भी। यहाँ गैलियम फॉस्फाइड (GaP) आता है, एक क्रिस्टल जो इन नन्हे प्रकाश शो के लिए एक आदर्श साथी होने का वादा करता है। लेकिन एक पेच है: GaP आमतौर पर मोटे, भारी ब्लॉकों में आता है जिन्हें माइक्रोचिप्स के लिए आवश्यक अत्यंत-पतली फिल्मों में काटना कठिन होता है।
शोध पत्र की कहानी: लेजर कटर की तरह क्रिस्टल को काटना
यह शोध पत्र इस कहानी को बताता है कि कैसे शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह पता लगाया कि कैसे गैलियम फॉस्फाइड के एक मोटे ब्लॉक को एक अत्यंत-पतली, उच्च-गुणवत्ता वाली फिल्म में बदला जाए जिसे कांच पर चिपकाया जा सके, जिससे एक नया प्रकार का "गैलियम फॉस्फाइड ऑन इंसुलेटर" (GOI) प्लेटफॉर्म तैयार हो सके। उन्होंने आरी या चाकू का उपयोग नहीं किया; इसके बजाय, उन्होंने "आयन स्लाइसिंग" (ion slicing) नामक एक तकनीक का उपयोग किया।
कल्पना कीजिए कि आपके पास एक मोटा, ठोस चॉकलेट बार है, और आप बाकी हिस्से को तोड़े बिना ऊपर से एक बिल्कुल पतली परत निकालना चाहते हैं। शोधकर्ताओं ने कुछ ऐसा ही किया, लेकिन परमाणुओं के साथ। उन्होंने GaP क्रिस्टल में हीलियम आयन (छोटे, तेज़ कण) की एक बीम छोड़ी। ये आयन अदृश्य पिन की तरह काम करते हैं, जो क्रिस्टल के भीतर लगभग 600 नैनोमीटर की गहराई पर एक छिपी हुई कमजोरी की रेखा बनाते हैं। यह एक विशिष्ट गहराई पर छोटे विस्फोटकों की एक पंक्ति लगाने जैसा है।
इसके बाद, उन्होंने GaP क्रिस्टल को एक कांच के सबस्ट्रेट (इंसुलेटर) पर चिपकाया और उसे गर्म किया। जैसे-जैसे गर्मी बढ़ी, क्रिस्टल के अंदर के हीलियम आयन सूजने लगे और बुलबुले बनाने लगे, जिससे उस छिपी हुई रेखा के साथ दबाव पैदा हुआ। अंततः, दबाव बहुत अधिक हो गया, और क्रिस्टल साफ तौर पर दो हिस्सों में टूट गया, जिससे कांच से चिपकी हुई GaP की एक पतली, सिंगल-क्रिस्टल फिल्म पीछे रह गई, जबकि मूल मोटा ब्लॉक पीछे ही रह गया। इस प्रक्रिया ने उन्हें दो विधियों का उपयोग करके GaP फिल्म को विभिन्न प्रकार के कांच पर स्थानांतरित करने की अनुमति दी: "एनोडिक बॉन्डिंग" (बिजली और गर्मी का उपयोग करके) और "प्लाज्मा-एनहांस्ड डायरेक्ट बॉन्डिंग" (सतहों को चिपकाने के लिए आवेशित गैस का उपयोग करके)।
हालाँकि, विभाजन के तुरंत बाद की फिल्म एकदम सही नहीं थी। यह एक चोटिल सेब की तरह काली और गहरी दिख रही थी, क्योंकि आयन बमबारी ने क्रिस्टल की संरचना को नुकसान पहुँचाया था और इसे प्रकाश सोखने वाला बना दिया था। इसे ठीक करने के लिए, टीम ने फिल्म को "स्पा ट्रीटमेंट" दिया। उन्होंने क्रिस्टल की आंतरिक संरचना को ठीक करने के लिए इसे 500°C पर 210 मिनट (लगभग 3.5 घंटे) के लिए वैक्यूम ओवन में पकाया, और फिर सतह को चिकना करने के लिए आर्गन आयन की बीम से धीरे से पॉलिश किया।
परिणाम प्रभावशाली थे। इस उपचार के बाद, फिल्म मूल क्रिस्टल की तरह वापस चमकीले नारंगी रंग की हो गई। जब उन्होंने इसके माध्यम से प्रकाश प्रवाहित किया, तो फिल्म ने मूल बल्क क्रिस्टल की तरह ही लगभग बिना किसी नुकसान के प्रकाश को गुजरने दिया। उन्होंने प्रकाश के गुणों को बदलने की फिल्म की क्षमता का भी परीक्षण किया। एक (110)-ओरिएंटेड फिल्म पर लेजर चमकाकर, उन्होंने "सेकंड-हारमोनिक जनरेशन" देखा, जहाँ प्रकाश ने अपनी आवृत्ति को दोगुना कर दिया (रंग बदल दिया)। अलग-अलग पोलराइजेशन कोणों पर प्रकाश की प्रतिक्रिया एक आदर्श क्रिस्टल के सैद्धांतिक अनुमानों से मेल खाती थी, जो यह दर्शाता है कि फिल्म ने अपनी "प्रारंभिक" नॉनलीनियर क्षमताओं को पुनः प्राप्त कर लिया है।
शोध पत्र पुष्टि करता है कि यह विधि विभिन्न क्रिस्टल ओरिएंटेशन (100, 110, और 111) के लिए काम करती है और परिणामी फिल्में सिंगल-क्रिस्टलाइन हैं, जिसका अर्थ है कि परमाणु पूरी तरह से संरेखित हैं। हालाँकि प्रक्रिया अभी पूरी तरह से सटीक नहीं है—फिल्में अभी भी मूल बल्क क्रिस्टल की तुलना में थोड़ी खुरदरी हैं और उनमें थोड़ा अधिक आंतरिक तनाव है—शोधकर्ता दिखाते हैं कि ऑप्टिकल गुणवत्ता मूल सामग्री के बहुत करीब है। यह क्वांटम प्रौद्योगिकियों और नैनोफोटोनिक्स के लिए लचीले, उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरण बनाने का द्वार खोलता है, जहाँ हम अंततः एक ही स्केलेबल चिप पर अपनी दोनों इच्छाएं पूरी कर सकते हैं (मजबूत प्रकाश नियंत्रण और मजबूत नॉनलिनियर प्रभाव)।
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