Degenerate high-order hybrid bound states in the continuum beyond diffraction limit

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ प्रकाश एक सीधी रेखा की तरह नहीं, बल्कि एक संगीत कार्यक्रम में उमड़ी एक अराजक भीड़ की तरह व्यवहार करता है। फोटोनिक्स के क्षेत्र में—जो प्रकाश को नियंत्रित करने का विज्ञान है—वैज्ञानिक लगातार प्रकाश को दर्पणों से बने पिंजरे जैसे छोटे बक्सों में कैद करने की कोशिश कर रहे हैं। आमतौर पर, प्रकाश एक विद्रोही होता है; यदि आप इसे कैद करने की कोशिश करते हैं, तो यह एक दरार ढूंढ लेता है और हवा में ऊर्जा बिखेरते हुए निकल जाता है। हालाँकि, एक विशेष, लगभग जादुई अवस्था है जिसे "बाउंड स्टेट इन द कॉन्टिनम" (BIC) कहा जाता है। इसे एक ऐसे भूत के रूप में सोचें जो एक भीड़ भरे कमरे में रहता है लेकिन किसी तरह किसी से टकराता नहीं है या कोई आवाज़ नहीं करता। यह भागने वाले प्रकाश के समुद्र के ठीक बीच में मौजूद है, फिर भी यह पूरी तरह स्थिर रहता है, बाहर निकलने से इनकार करता है। यह अविश्वसनीय रूप से उपयोगी है क्योंकि यदि आप प्रकाश को बिना बाहर निकले कैद कर सकते हैं, तो आप ऐसे लेजर बना सकते हैं जो अत्यंत कुशल हों, ऐसे सेंसर जो एक अकेले अणु का पता लगा सकें, या ऐसे उपकरण जो प्रकाश को नए और अद्भुत तरीकों से मोड़ सकें।

लंबे समय तक, वैज्ञानिक इन "भूतिया" प्रकाश जाल को केवल एक विशिष्ट, शांत क्षेत्र में बना सकते थे जो एक निश्चित आवृत्ति सीमा के नीचे होता है, जिसे "डिफ़्रैक्शन लिमिट" (विवर्तन सीमा) के रूप में जाना जाता है। यह ऐसा था जैसे आपके पास एक जादू का खेल हो जो केवल एक छोटे, शांत कमरे में ही काम करता हो। लेकिन क्या होगा यदि आप इस जादू को एक शोर-शराबे वाले, अराजक स्टेडियम में दिखाना चाहें जहाँ प्रकाश हर दिशा में भागने की कोशिश कर रहा हो? यही वह बड़ा सवाल है जिसे यह शोध पत्र हल करता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या वे इन पूर्ण प्रकाश जालों को तब भी बना सकते हैं जब प्रकाश इतना ऊर्जावान हो कि वह पिंजरे की दीवारों को तोड़कर बाहर निकल जाए, एक ऐसी स्थिति जो आमतौर पर प्रकाश को कैद करना असंभव बना देती है। वे एक उच्च-ऊर्जा क्षेत्र की खोज कर रहे हैं जहाँ प्रकाश आमतौर पर बेकाबू हो जाता है, इस उम्मीद में कि वे इसे शांत करने और इसे अपनी जगह पर थामने का तरीका खोज लेंगे।

यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन के जी टोंग वांग और निकोले सी. पनोइउ के नेतृत्व वाली टीम ने बिल्कुल ऐसा करने का एक तरीका खोज लिया है। उन्होंने एक विशेष प्रकार का प्रकाश जाल बनाने की विधि खोजी है, जिसे वे "डिजेनरेट हाइब्रिड बाउंड स्टेट" कहते हैं, जो ठीक इस अराजक, उच्च-ऊर्जा क्षेत्र के बीच में स्थित है। उनकी इस तरकीब को समझने के लिए, एक घूमते हुए लट्टू की कल्पना करें। आमतौर पर, यदि आप एक लट्टू को घुमाते हैं, तो वह डगमगाता है और अंततः गिर जाता है (ऊर्जा का रिसाव)। लेकिन इन शोधकर्ताओं ने दो लट्टुओं को बिल्कुल एक ही गति पर, एक ही स्थान पर, इतनी पूर्ण सटीकता के साथ सिंक्रोनाइज़ करने का तरीका खोजा कि वे एक-दूसरे के डगमगाहट को रद्द कर दें।

उन्होंने इसे सिलिकॉन नाइट्राइड से बने एक विशेष क्रिस्टल का उपयोग करके हासिल किया जिसमें हनीकॉम्ब पैटर्न (षट्कोणीय जाली) है। इस पैटर्न में एक बहुत ही विशिष्ट समरूपता (सिमेट्री) है, जैसे एक स्नोफ्लेक जो छह बार घुमाने पर भी एक जैसा दिखता है। हनीकॉम्ब के छेदों के आकार और क्रिस्टल स्लैब की मोटाई को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने एक ऐसी स्थिति पैदा की जहाँ दो अलग-अलग प्रकाश मोड (सोचिए कि जैसे एक साथ दो अलग-अलग गाने बज रहे हों) "डिजेनरेट" हो गए, जिसका अर्थ है कि वे बिल्कुल एक ही आवृत्ति और ऊर्जा साझा करते हैं।

यही जादू वाला हिस्सा है: क्रिस्टल की समरूपता स्वाभाविक रूप से प्रकाश को सबसे सीधे तरीके से बाहर जाने से रोकती है ("जीरो-ऑर्डर" चैनल)। यह एक क्लब के बाउंसर की तरह है जो केवल लोगों को मुख्य दरवाजे से बाहर जाने देता है, लेकिन बाउंसर सो रहा है। हालाँकि, प्रकाश अभी भी बगल के दरवाजों ("फर्स्ट-ऑर्डर" चैनल) से बाहर निकल सकता था। इसे रोकने के लिए, शोधकर्ताओं ने केवल बाउंसर पर भरोसा नहीं किया; उन्होंने रेडियो के डायल की तरह क्रिस्टल की ज्यामिति को ट्यून किया। छेद की त्रिज्या को 0.226 गुना अंतराल और स्लैब की मोटाई को 0.4715 गुना अंतराल जैसे सटीक नंबरों तक बदलकर, उन्होंने प्रकाश को बगल के दरवाजों में भी खुद को रद्द करने के लिए मजबूर कर दिया।

परिणाम एक "परफेक्ट स्टॉर्म" (पूर्ण तूफान) जैसी शांति है। प्रकाश न केवल एक दिशा में, बल्कि सभी दिशाओं में एक साथ कैद हो जाता है, भले ही वह उस सामान्य सीमा से ऊपर हो जहाँ प्रकाश को बाहर निकल जाना चाहिए। शोध पत्र दिखाता है कि इस विशिष्ट बिंदु पर, प्रकाश एक "वी पॉइंट" (V point) बनाता है, जो एक प्रकार की टोपोलॉजिकल सिंगुलैरिटी है जहाँ ध्रुवीकरण (प्रकाश तरंगें किस दिशा में हिलती हैं) एक केंद्र के चारों ओर -2 के उच्च "चार्ज" के साथ घूमता है। यह हवा में एक भंवर की तरह है जो इतना शक्तिशाली है कि वह प्रकाश को अंदर खींच लेता है और उसे वहीं थामे रखता है।

शोधकर्ताओं ने यह समझने के लिए एक गणितीय उपकरण "इफेक्टिव हैमिल्टोनियन" का उपयोग किया कि यह कैसे काम करता है, जिससे पुष्टि हुई कि प्रकाश की गुणवत्ता (वह कितनी देर तक कैद रहता है) ठीक इसी मीठे बिंदु पर अनंत तक बढ़ जाती है। उन्होंने प्रकाश के व्यवहार का अनुकरण (सिमुलेशन) किया और पाया कि जैसे-जैसे वे इस आदर्श स्थान से थोड़ा दूर जाते हैं, प्रकाश बाहर निकलने लगता है, लेकिन इसके बाहर निकलने का तरीका एक अनुमानित पैटर्न का पालन करता है, जो केंद्र से दूरी के वर्ग के अनुपात में बदलता है। यह पुष्टि करता है कि उनका सिद्धांत ठोस है।

महत्वपूर्ण रूप से, यह शोध पत्र इस विचार को खारिज करता है कि यह केवल संयोग से या क्रिस्टल की विशिष्ट समरूपता के बिना हो सकता था। वे दिखाते हैं कि "C6v" समरूपता (हनीकॉम्ब की छह-गुना समरूपता) के बिना, प्रकाश बस जीरो-ऑर्डर चैनल के माध्यम से बाहर निकल जाएगा, और जाल विफल हो जाएगा। वे इस तर्क के विरुद्ध भी तर्क देते हैं कि आप इस विशिष्ट समरूपता और ट्यूनिंग के संयोजन के बिना डिफ्रैक्शन लिमिट के ऊपर इन जालों को आसानी से बना सकते हैं। शोध पत्र सुझाव देता है कि यह एक मजबूत तंत्र है, लेकिन यह कंप्यूटर सिमुलेशन और सैद्धांतिक मॉडलों पर आधारित है, न कि प्रयोगशाला में निर्मित किसी भौतिक प्रयोग पर।

अंत में, यह कार्य प्रकाश के लिए एक नया खेल का मैदान खोलता है। यह दिखाकर कि आप समरूपता और सटीक ट्यूनिंग के मिश्रण का उपयोग करके उच्च-ऊर्जा क्षेत्रों में प्रकाश को कैद कर सकते हैं, लेखक सुझाव देते हैं कि हम बेहतर सेंसर, अधिक सटीक लेजर और अधिक कुशल ऑप्टिकल उपकरण बना सकते हैं। उन्होंने प्रकाश को व्यवहार करने का एक नया तरीका प्रकट किया है, जिससे भागने वाले फोटॉनों के एक अराजक स्टेडियम को एक पूरी तरह से स्थिर, कैद किए गए भूत में बदल दिया गया है, जो नई भौतिकी और अनुप्रयोगों के लिए तैयार है।