All-optical switching of nonlinear structured light in crystal-engineered van der Waals materials

प्रकाश की कल्पना केवल एक ऐसी किरण के रूप में न करें जो चीजों को चालू या बंद करती है, बल्कि इसे एक नर्तक के रूप में देखें। अधिकांश समय, प्रकाश एक सीधी रेखा में नृत्य करता है, एक साधारण ऑन/ऑफ स्विच की तरह जानकारी ले जाता है। लेकिन एक विशेष प्रकार का नृत्य है जिसे "स्ट्रक्चर्ड लाइट" (संरचित प्रकाश) कहा जाता है, जहाँ किरण यात्रा करते समय एक कॉर्कस्क्रू (पेंच) की तरह घूमती है। इस घुमाव को "ऑर्बिटल एंगुलर मोमेंटम" (OAM) कहा जाता है। इसे एक सर्पिल सीढ़ी की तरह समझें: घुमावों की संख्या जितनी अधिक होगी, प्रकाश में उतने ही अधिक "कदम" होंगे। यह तकनीक के भविष्य के लिए एक सुपरपावर है क्योंकि यह हमें प्रकाश की एक ही किरण में बहुत अधिक डेटा पैक करने की अनुमति देता है, ठीक वैसे ही जैसे एक चौड़ी राजमार्ग एक संकरी कच्ची सड़क की तुलना में अधिक कारों को ले जा सकती है।

लंबे समय से, वैज्ञानिक इस घुमावदार नृत्य को तुरंत और एक छोटी चिप पर नियंत्रित करना चाहते थे, ठीक वहीं जहाँ प्रकाश उत्पन्न होता है। लेकिन जो उपकरण वे उपयोग करते थे वे विशाल, अनाड़ी निर्माण क्रेन की तरह थे—विशाल, धीमे, और स्वयं प्रकाश स्रोत से अलग। वे घुमाव को बदल तो सकते थे, लेकिन इसमें समय और स्थान लगता था। बड़ा सवाल यह था: क्या हम एक छोटी, अति-तेज मशीन बना सकते हैं जो न केवल इन घुमावदार किरणों को बना सके, बल्कि पलक झपकते ही उनकी दिशा और आकार भी बदल सके, और वह भी सामग्री के एक एकल, सूक्ष्म टुकड़े के भीतर?

यह शोध पत्र इस बात की कहानी बताता है कि कैसे वैज्ञानिकों की एक टीम ने बिल्कुल वही बनाया। उन्होंने भारी मशीनरी का उपयोग नहीं किया; इसके बजाय, उन्होंने एक "जादुई क्रिस्टल" को इंजीनियर किया जो 3R-MoS2 नामक सामग्री से बना है, जो कि एक प्रकार का वैन डेर वाल्स (van der Waals) पदार्थ है। कल्पना कीजिए कि यह सामग्री कागज जैसी पतली परतों का एक ढेर है, इतनी पतली कि 46 परतों को एक साथ रखने पर वह नग्न आंखों से मुश्किल से दिखाई देगी। वैज्ञानिकों ने इस अति-पतली शीट को चार छोटे वर्गों में काट दिया, जैसे कि एक पहेली। फिर, उन्होंने प्रत्येक वर्ग को थोड़ा घुमाया—0°, 30°, 60°, और 90°—और उन्हें वापस जोड़ दिया।

यहाँ चतुराई भरा हिस्सा है: क्योंकि इन क्रिस्टल के भीतर परमाणुओं की व्यवस्था इस तरह की है, प्रत्येक वर्ग का कोण प्रकाश के लिए एक स्टीयरिंग व्हील (स्टीयरिंग व्हील) की तरह कार्य करता है। जब उन्होंने इस "पहेली क्रिस्टल" के माध्यम से एक लेजर को प्रवाहित किया, तो प्रकाश केवल गुजरा नहीं; उसने एक घुमाव पकड़ लिया। दो मौलिक आवृत्ति वाले लेजर पल्स के बीच के विलंब (delay) को सब-ऑप्टिकल-साइकिल सटीकता के साथ समायोजित करके, वैज्ञानिक आउटपुट को बदल सकते थे। एक क्षण में, प्रकाश एक बाईं ओर के घुमाव वाले बीम (एक लैगर-गौसियन वोर्टेक्स जिसका टोपोलॉजिकल चार्ज -1 है) के रूप में निकलेगा, और अगले ही क्षण, यह दाईं ओर के घुमाव (चार्ज +1) में बदल जाएगा, या पूरी तरह से एक अलग आकार में बदल जाएगा जिसे हर्मिट-गौसियन बीम (बिना किसी घुमाव के) कहा जाता है।

शोधकर्ताओं ने इसका प्रदर्शन 46-नैनोमीटर मोटी नमूने का उपयोग करके किया, जो अविश्वसनीय रूप से पतला है। उन्होंने सिद्ध किया कि केवल क्रिस्टल के टुकड़ों को घुमाकर और लेजर की टाइमिंग में बदलाव करके, वे बिना किसी भारी बाहरी लेंस या धीमी गति वाले पुर्जों के इन जटिल, घुमावदार बीमों को उत्पन्न कर सकते हैं। शोध पत्र दिखाता है कि यह "क्रिस्टल-इंजीनियर्ड" दृष्टिकोण एक एकल, ठोस टुकड़े की सामग्री में काम करता है, जो प्रकाश को बनाता भी है और उसे आकार भी देता है। जबकि उन्होंने सावधानीपूर्वक माप और कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से पुष्टि की कि यह काम करता है, परिणाम एक नए तरीके का सुझाव देते हैं जिससे छोटे, तेज़ और पुनर्गठित (reconfigurable) प्रकाश स्रोतों का निर्माण किया जा सकता है। यह भविष्य के कंप्यूटरों और संचार उपकरणों को बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम हो सकता है जो बिजली के बजाय प्रकाश का उपयोग करते हैं, जिससे वे पहले की तुलना में बहुत छोटे, तेज़ और बहुत अधिक जानकारी ले जाने में सक्षम होंगे।