Engineering of Dual Wavelength, Polarization Selective Metalenses in Silicon Carbide
यह शोध पत्र मोनोलिथिक सिलिकॉन कार्बाइड मेटलेंस के डिजाइन और निर्माण को प्रस्तुत करता है जो नाइट्रोजन और सिलिकॉन वेकेंसीनिएलिटी कलर सेंटर्स के लिए समवर्ती दोहरी-तरंगदैर्ध्य (860 और 1240 nm) प्रकाश संग्रह और ध्रुवीकरण हेरफेर को सक्षम करते हैं, जिससे स्केलेबल एकीकृत क्वांटम फोटोनिक्स और ऑप्टिकली डिटेक्टेड मैग्नेटिक रेजोनेंस को सुगम बनाया जा सके।
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क्वांटम तकनीक अक्सर एक दूर के भविष्य की तरह महसूस होती है, लेकिन इसके निर्माण खंड हमारे आसपास मौजूद ठोस सामग्रियों में पहले से ही आकार ले रहे हैं। इस उभरते हुए क्षेत्र के केंद्र में क्रिस्टल के भीतर सूक्ष्म खामियां हैं, जिन्हें 'डिफेक्ट्स' (दोष) के रूप में जाना जाता है। एक आदर्श हीरे या सिलिकॉन कार्बाइड के ब्लॉक की कल्पना परमाणुओं के एक विशाल, व्यवस्थित शहर के रूप में करें। कभी-कभी, एक परमाणु गायब होता है, या एक अलग प्रकार का परमाणु गलत स्थान पर आ जाता है। ये गायब या गलत स्थान वाले स्थान ही 'डिफेक्ट्स' हैं। हालांकि वे दोषपूर्ण लग सकते हैं, लेकिन क्वांटम भौतिकी की दुनिया में, वे वास्तव में शक्तिशाली उपकरण हैं। ये डिफेक्ट्स इलेक्ट्रॉनों को विशिष्ट अवस्थाओं में कैद कर सकते हैं जो छोटे चुंबक की तरह कार्य करते हैं, और लंबे समय तक सूचना को थामे रखते हैं। वे प्रकाश के साथ चमक भी सकते हैं, और उस प्रकाश का रंग विशिष्ट प्रकार के डिफेक्ट पर निर्भर करता है। वैज्ञानिक इन चमकने वाले डिफेक्ट्स का उपयोग क्वांटम कंप्यूटर और सेंसर बनाने के लिए करने के इच्छुक हैं, लेकिन एक बड़ी बाधा है: वह सामग्री जिसमें वे स्थित होते हैं, अक्सर परमाणुओं से इतनी घनी होती है कि उनके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश उसके अंदर ही फंस जाता है और तब तक टकराता रहता है जब तक कि वह फीका न पड़ जाए। इन क्वांटम उपकरणों को उपयोगी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को उस फंसे हुए प्रकाश को बाहर निकालने और उसे ठीक वहीं निर्देशित करने का तरीका खोजना होगा जहाँ उसकी आवश्यकता है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा समाधान विकसित किया है जो सीधे सामग्री के भीतर एकीकृत होता है, जिससे एक कॉम्पैक्ट ऑप्टिकल इंटरफेस बनता है जो एक ही समय में दो अलग-अलग प्रकार के क्वांटम डिफेक्ट्स से प्रकाश को पकड़ और निर्देशित कर सकता है। सिलिकॉन कार्बाइड के साथ काम करते हुए—जो एक कठोर, टिकाऊ क्रिस्टल है जिसका उपयोग पावर इलेक्ट्रॉनिक्स से लेकर क्वांटम अनुसंधान तक में किया जाता है—टीम ने एक विशेष सतह बनाई जिसे 'मेटालेंस' कहा जाता है। पारंपरिक कांच के लेंसों के विपरीत जो मोटे और घुमावदार होते हैं, एक मेटालेंस सामग्री की सतह पर सीधे उकेरा गया एक सपाट, सूक्ष्म पैटर्न होता है। यह नया उपकरण अद्वितीय है क्योंकि यह 'मोनोलिथिक' है, जिसका अर्थ है कि इसे उसी सिलिकॉन कार्बाइड के ब्लॉक से तराशा गया है जिसमें वे डिफेक्ट्स मौजूद हैं जिन्हें यह पकड़ने की कोशिश कर रहा है, न कि ऊपर से चिपकाया गया कोई अलग टुकड़ा। शोधकर्ताओं ने इस सतह को प्रकाश के दो बहुत विशिष्ट रंगों के लिए इंजीनियर किया है: एक 860 नैनोमीटर पर और दूसरा 1240 नैनोमीटर पर। ये रंग दो अलग-अलग क्वांटम डिफेक्ट्स की चमक के अनुरूप हैं, सिलिकॉन वेकेंसी (सिलिकॉन रिक्ति) और नाइट्रोजन वेकेंसी, जो क्वांटम संचार के लिए आशाजनक उम्मीदवार हैं।
टीम के सामने चुनौती केवल प्रकाश को एकत्र करना नहीं थी, बल्कि इसे प्रकाश तरंगों के ओरिएंटेशन (अभिविन्यास), जिसे ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन) कहा जाता है, के आधार पर छाँटना भी था। प्रकाश तरंगें विभिन्न दिशाओं में कंपन कर सकती हैं, और क्वांटम सूचना को सही ढंग से पढ़ने के लिए, इन दिशाओं को नियंत्रित किया जाना चाहिए। शोधकर्ताओं ने अपने मेटालेंस को इस तरह से डिजाइन किया कि यह क्षैतिज रूप से कंपन करने वाली रोशनी के साथ ऊर्ध्वाधर (वर्टिकल) रूप से कंपन करने वाली रोशनी के साथ अलग व्यवहार करे। जब प्रकाश सतह से टकराता है, तो मेटालेंस पैटर्न को बनाने वाले सूक्ष्म स्तंभ तरंगों को विशिष्ट तरीकों से मोड़ देते हैं। 860-नैनोमीटर वाले प्रकाश के लिए, लेंस क्षैतिज रूप से कंपन करने वाली तरंगों को एक स्थान पर और ऊर्ध्वाधर रूप से कंपन करने वाली तरंगों को दूसरे स्थान पर निर्देशित करता है। यह 1240-नैनोमीटर वाले प्रकाश के लिए भी ऐसा ही करता है, लेकिन स्तंभों का एक अलग पैटर्न उपयोग करता है। यह उपकरण को एक ट्रैफिक कंट्रोलर की तरह कार्य करने की अनुमति देता है, जो भारी बाहरी उपकरणों की आवश्यकता के बिना प्रकाश द्वारा ले जाई जाने वाली विभिन्न प्रकार की सूचनाओं को अलग करता है।
अपने निर्माण का परीक्षण करने के लिए, टीम ने पहले शक्तिशाली कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करके यह सिम्युलेट किया कि प्रकाश कैसे व्यवहार करेगा। इन सिमुलेशनों ने दिखाया कि यह डिज़ाइन वास्तव में विभिन्न ध्रुवीकरणों को अलग कर सकता है और प्रकाश को प्रभावी ढंग से केंद्रित कर सकता है। इसके बाद वे प्रयोगशाला में उपकरण बनाने के लिए आगे बढ़े। एक सर्किट बोर्ड प्रिंट करने की प्रक्रिया के समान, लेकिन बहुत अधिक सटीकता के साथ, उन्होंने इलेक्ट्रॉन की एक बीम का उपयोग करके सिलिकॉन कार्बाइड ब्लॉक पर सूक्ष्म स्तंभों के पैटर्न को उकेरा। फिर उन्होंने सामग्री को इस तरह से हटाया कि सूक्ष्म स्तंभों का एक जंगल पीछे रह गया, जिनमें से प्रत्येक लगभग 1.6 माइक्रोमीटर ऊंचा था। अंतिम उपकरण एक सपाट वर्ग की तरह दिखता था जो दो भागों में विभाजित था, एक छोटे तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) के लिए अनुकूलित और दूसरा लंबे तरंग दैर्ध्य के लिए। जब उन्होंने माइक्रोस्कोप के नीचे तैयार उत्पाद का निरीक्षण किया, तो स्तंभ समान और चिकने थे, जिससे पुष्टि हुई कि निर्माण प्रक्रिया ने आवश्यक जटिल संरचनाओं को बनाने में सफलता प्राप्त कर ली है।
असली परीक्षा तब आई जब उन्होंने सिलिकॉन कार्बाइड में क्वांटम डिफेक्ट्स को पेश किया। उन्होंने क्रिस्टल में परमाणुओं को डालने के लिए नाइट्रोजन आयनों की एक बीम का उपयोग किया, जिससे वे रिक्तियां (वेकेंसी) बनीं जिनकी आवश्यकता डिफेक्ट्स के निर्माण के लिए होती है। एक बार जब डिफेक्ट्स स्थापित हो गए, तो उन्होंने क्रिस्टल के पीछे एक लेजर चमकाया ताकि डिफेक्ट्स चमक सकें। प्रकाश क्रिस्टल के माध्यम से यात्रा करता है और मेटालेंस से टकराता है। उपकरण ने सफलतापूर्वक प्रकाश को एकत्र किया और उसे विशिष्ट बिंदुओं पर केंद्रित किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि वह घने क्रिस्टल से फोटॉन्स को बाहर निकाल सकता है और उन्हें मुक्त स्थान (फ्री स्पेस) में निर्देशित कर सकता है। शोधकर्ताओं ने मापा कि कितना प्रकाश गुजर पाया और पाया कि मेटालेंस ने उपलब्ध प्रकाश का लगभग आधा हिस्सा कैप्चर किया। हालांकि यह एक आदर्श लेंस द्वारा प्राप्त किए जाने वाले स्तर से कम है, लेकिन यह बिना किसी लेंस के होने वाली स्थिति की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है, जहाँ उच्च घनत्व के कारण अधिकांश प्रकाश क्रिस्टल के अंदर ही फंस जाता।
केवल प्रकाश एकत्र करने से परे, टीम ने प्रदर्शित किया कि इस उपकरण का उपयोग डिफेक्ट्स की क्वांटम अवस्था को पढ़ने के लिए किया जा सकता है। उन्होंने नमूने को एक चुंबकीय क्षेत्र में रखा और चुंबकीय क्षेत्र को ट्यून करते समय प्रकाश की तीव्रता में होने वाले परिवर्तन को मापा। 'ऑप्टिकली डिटेक्टेड मैग्नेटिक रेजोनेंस' नामक यह तकनीक वैज्ञानिकों को डिफेक्ट्स के भीतर इलेक्ट्रॉनों की स्पिन अवस्था को देखने की अनुमति देती है। मेटालेंस ने सिलिकॉन वेकेंसी और नाइट्रोजन वेकेंसी दोनों डिफेक्ट्स से सिग्नल को सफलतापूर्वक एकत्र किया, जो डेटा में स्पष्ट चोटियों (पीक्स) को दर्शाता है जो इन क्वांटम प्रणालियों से अपेक्षित होती हैं। यह तथ्य कि उपकरण दो अलग-अलग रंगों के प्रकाश के बीच अंतर कर सकता था और प्रत्येक के ध्रुवीकरण को संभाल सकता था, इसका अर्थ है कि यह संभावित रूप से कई क्वांटम बिट्स को एक साथ पढ़ सकता है। यह क्षमता स्केलेबल क्वांटम नेटवर्क बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, जहाँ कई क्वांटम उपकरणों को एक ही कॉम्पैक्ट इंटरफेस के माध्यम से एक-दूसरे के साथ संवाद करने की आवश्यकता होती है।
यह कार्य यह स्थापित करता है कि क्वांटम स्रोतों को धारण करने वाली सामग्री में ही जटिल, बहु-कार्यात्मक ऑप्टिकल उपकरण उकेरना संभव है। दो अलग-अलग तरंग दैर्ध्य पर कार्य करके और ध्रुवीकरण का प्रबंधन करके, मेटालेंस उन ऑप्टिकल सिस्टम को सरल बनाने का एक तरीका प्रदान करता है जिनकी क्वांटम प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यकता होती है। हर अलग प्रकार के डिफेक्ट के लिए अलग लेंस और फिल्टर की आवश्यकता के बजाय, एक एकल, सपाट सतह यह काम संभाल सकती है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि यह दृष्टिकोण न केवल सिद्धांत या सिमुलेशन में, बल्कि एक वास्तविक, निर्मित उपकरण में भी काम करता है जो प्रकाश एकत्र कर सकता है और क्वांटम अवस्थाओं को पढ़ सकता है। ऑप्टिकल इंटरफेस का क्वांटम स्रोत के साथ यह एकीकरण उन छोटे, अधिक कुशल क्वांटम उपकरणों को बनाने की दिशा में एक मार्ग सुझाता है जिनका उपयोग अंततः अत्यंत सुरक्षित संचार नेटवर्क से लेकर अत्यधिक संवेदनशील चुंबकीय सेंसरों तक में किया जा सकता है।
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