Invertible mapping between structured light and vector terahertz emission
यह शोध पत्र संरचित फेम्टोसेकंड ऑप्टिकल क्षेत्रों के स्थानिक और ध्रुवीकरण गुणों को अर्धचालकों में सुसंगत फोटोकरंट्स पर मैप करके, वेक्टर टेराहर्ट्ज़ बीमों को उत्पन्न और संश्लेषित करने के लिए एक एकीकृत, व्युत्क्रमणीय ढांचा स्थापित करता है, जिससे टेराहर्ट्ज़ उत्सर्जन पैटर्न पर नियतात्मक, व्युत्क्रम-डिज़ाइन किए गए नियंत्रण को सक्षम बनाया जा सके।
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टेराहर्ट्ज़ विकिरण विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के एक शांत, अक्सर अनदेखे हिस्से पर कब्जा जमाए हुए है, जो रडार में उपयोग किए जाने वाले माइक्रोवेव और ऊष्मा के रूप में महसूस होने वाली इन्फ्रारेड लाइट के बीच स्थित है। जबकि यह क्षेत्र बिना किसी नुकसान के कपड़ों के आर-पार देखने, छिपे हुए रसायनों की पहचान करने, या अविश्वसनीय गति से डेटा भेजने की बड़ी संभावना रखता है, लेकिन इसे मास्टर करना लंबे समय से कठिन रहा है। चुनौती केवल इन तरंगों को बनाने में नहीं है, बल्कि उन्हें आकार देने में है। वैज्ञानिक टेराहर्ट्ज़ प्रकाश के सटीक दिशा, तीव्रता और ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन) को नियंत्रित करने के लिए संघर्ष करते रहे हैं, और अक्सर पाते हैं कि तरंगें उन्नत तकनीक के लिए आवश्यक स्वच्छ, केंद्रित बीम के बजाय अव्यवस्थित, अप्रत्याशित पैटर्न में निकलती हैं। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं को विकिरण के स्रोत को ही नियंत्रित करने का तरीका खोजना होगा, जिससे ऊर्जा के एक अराजक विस्फोट को एक सावधानीपूर्वक तराशे गए उपकरण में बदला जा सके।
ईरान के भौतिकविदों की एक टीम ने अब ठीक यही करने के लिए एक एकीकृत विधि स्थापित की है, जो संरचित प्रकाश (स्ट्रक्चर्ड लाइट) की जटिल दुनिया और टेराहर्ट्ज़ विकिरण के उत्पादन के बीच एक सेतु बनाती है। उनका कार्य गैलियम आर्सेनाइडड नामक एक अर्धचालक (सेमीकंडक्टर) सामग्री पर केंद्रित है, जो प्रकाश के लिए एक अत्यधिक संवेदनशील कैनवास के रूप में कार्य करता है। जब इस सामग्री पर लेजर प्रकाश के दो विशिष्ट पल्स—एक मानक आवृत्ति पर और दूसरा उसकी दोगुनी आवृत्ति पर—टकराते हैं, तो क्रिस्टल के भीतर कुछ उल्लेखनीय होता है। इस सामग्री के भीतर इलेक्ट्रॉन केवल ऊर्जा को अवशोषित नहीं करते; उन्हें क्वांटम हस्तक्षेप (इंटरफेरेंस) की स्थिति में धकेल दिया जाता है। कल्पना कीजिए कि एक ही गंतव्य तक जाने वाले दो रास्ते हैं, जहाँ यात्री का रास्ता उसके कदमों के समय (टाइमिंग) पर निर्भर करता है। इस मामले में, इलेक्ट्रॉन एक मजबूत प्रकाश के एक फोटॉन या एक साथ दो कमजोर प्रकाश के दो फोटॉन को अवशोषित करके उच्च ऊर्जा स्तर तक पहुँच सकते हैं। इन दो प्रकाश पल्स के बीच सापेक्ष समय, या 'फेज', को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, शोधकर्ता इलेक्ट्रॉनों को एक विशिष्ट दिशा में बढ़ने के लिए मजबूर कर सकते हैं, जिससे बिजली की धारा का एक अचानक, अत्यंत तीव्र उछाल पैदा होता है।
यह करंट का उछाल ही कुंजी है। क्योंकि यह एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में होता है, यह एक छोटे, क्षणिक एंटीना की तरह कार्य करता है जो टेराहर्ट्ज़ तरंगों को बाहर की ओर फेंकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि आने वाले लेजर प्रकाश का आकार और ध्रुवीकरण सीधे इस करंट के उछाल पर कॉपी हो जाता है। यदि लेजर प्रकाश को एक विशिष्ट घूमते हुए पैटर्न के साथ एक सिलेंडर के आकार में ढाला जाता है, तो सेमीकंडक्टर के भीतर करंट उसी पैटर्न में बहता है। फलस्वरूप, दूर तक उड़ने वाली टेराहर्ट्ज़ तरंगें उसी जटिल संरचना को वहन करती हैं। टीम ने इसे विशेष लेजर बीमों का उपयोग करके प्रदर्शित किया जिन्हें 'सिलिंड्रिकल वेक्टर बीम्स' और 'फुल पोइन्केयर बीम्स' कहा जाता है, जिनमें बीम के हर बिंदु पर ध्रुवीकरण बदलता रहता है। जब ये बीम सेमीकंडक्टर से टकराते हैं, तो वे मिलते-जुलते, जटिल आकार की टेराहर्ट्ज़ तरंगें उत्पन्न करते हैं, जिनमें घूमने वाले क्षेत्र या विशिष्ट लोब्स (lobes) शामिल हैं। उनके सिमुलेशन में, इन विधियों ने सामग्री के निकटवर्ती क्षेत्र में 0.8 मिलीटेस्ला तक पहुँचने वाले चुंबकीय क्षेत्र और इमेजिंग एवं संचार के लिए उपयोगी रूप से मजबूत 'फार-फील्ड' इलेक्ट्रिक फील्ड्स का उत्पादन किया।
हालाँकि, इस कार्य में सबसे महत्वपूर्ण छलांग केवल यह अनुमान लगाना नहीं है कि विशिष्ट प्रकाश जब सामग्री से टकराता है तो क्या होगा, बल्कि पूरी प्रक्रिया को उल्टा करना है। शोधकर्ताओं ने एक नई डिजाइन रणनीति विकसित की है जो वांछित परिणाम से शुरू होती है। यह पूछने के बजाय कि "यह लेजर किस टेराहर्ट्ज़ बीम को बनाएगा?", उन्होंने पूछा, "इस विशिष्ट टेराहर्ट्ज़ बीम को बनाने के लिए हमें किस लेजर की आवश्यकता है?" एक लक्षित पैटर्न से पीछे की ओर काम करते हुए—जैसे कि एक बीम जो दो अलग-अलग धब्बों जैसा दिखता है या एक न फैलने वाली रिंग—उन्होंने उस विशिष्ट इलेक्ट्रिक करंट के वितरण की गणना की जो इसे उत्पन्न करने के लिए आवश्यक था। इसके बाद, उन्होंने उन सटीक लेजर पल्स के आकार और फेज का निर्धारण किया जो इलेक्ट्रॉनों को ठीक उसी करंट पैटर्न में धकेलने के लिए आवश्यक थे। इस 'इनवर्स डिजाइन' दृष्टिकोण का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब अपने वांछित आकार के अनुसार टेराहर्ट्ज़ स्रोत को प्रोग्राम कर सकते हैं, बस ऑप्टिकल इनपुट को समायोजित करके।
अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि यह संबंध लचीला और शक्तिशाली है। एक प्रभावशाली प्रदर्शन में, टीम ने दिखाया कि एक जटिल टेराहर्ट्ज़ क्षेत्र, जिसे पहले घूमने वाले ध्रुवीकरण वाले एक अत्यधिक जटिल लेजर बीम की आवश्यकता थी, उसे बहुत सरल, एकसमान लेजर बीम का उपयोग करके भी पुनरुत्पादित किया जा सकता था। बीम के चेहरे पर प्रकाश के समय और तीव्रता को बदलकर ही, वे सेमीकंडक्टर को उसी जटिल करंट पैटर्न को उत्पन्न करने के लिए मजबूर कर सके। यह खोज बताती है कि आउटपुट की जटिलता के लिए अनिवार्य रूप से जटिल इनपुट की आवश्यकता नहीं होती है; बल्कि, नियंत्रण प्रकाश के सटीक समन्वय (कोऑर्डिनेशन) में निहित है। शोधकर्ताओं ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से इन परिणामों को सत्यापित किया, जिससे पता चला कि यह विधि बेसेल बीम (Bessel beams) के व्यवहार की नकल करने वाले या विशिष्ट ध्रुवीकरण पैटर्न बनाने वाले बीम सहित विभिन्न बीम आकारों के लिए काम करती है।
यह कार्य प्रभावी रूप से सेमीकंडक्टर को टेराहर्ट्ज़ तरंगों के लिए एक पुनर्गठनीय (reconfigurable) एंटीना में बदल देता है। उस करंट को संचालित करने वाले क्वांटम हस्तक्षेप में महारत हासिल करके, शोधकर्ताओं ने टेराहर्ट्ज़ विकिरण के आयाम (एम्प्लीट्यूड), फेज और ध्रुवीकरण को इंजीनियर करने का एक व्यवस्थित तरीका प्रदान किया है। इसके निहितार्थ काफी व्यापक हैं। यह कॉम्पैक्ट, पूर्णतः ऑप्टिकल स्रोतों का एक मार्ग प्रदान करता है जिन्हें चलते-चलते (ऑन द फ्लाई) ट्यून किया जा सकता है, जो संभावित रूप से सामग्रियों की इमेजिंग, सुरक्षित संचार, या रासायनिक हस्ताक्षरों के विश्लेषण के तरीके में क्रांति ला सकता है। वांछित टेराहर्ट्ज़ पैटर्न को सीधे उसे बनाने के लिए आवश्यक लेजर सेटिंग्स के साथ मैप करने की क्षमता इस क्षेत्र को 'परीक्षण और त्रुटि' (ट्रायल एंड एरर) से एक सटीक डिजाइन अनुशासन में बदल देती है, जिससे प्रोग्राम करने योग्य टेराहर्ट्ज़ उपकरणों की एक नई पीढ़ी के द्वार खुल जाते हैं।
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