Influence of metal nanoparticles on whispering gallery modes of a microcavity

जब प्रकाश को एक बहुत ही छोटे स्थान में सीमित किया जाता है, तो यह खुले वातावरण की तुलना में अलग तरह से व्यवहार करता है। एक ऐसे कमरे की कल्पना करें जिसकी दीवारें पूरी तरह से दर्पण जैसी हों जहाँ प्रकाश की एक किरण अंतहीन रूप से टकराकर घूमती रहे और कभी बाहर न निकल पाए। सूक्ष्म दुनिया में, वैज्ञानिक कांच या अन्य पारदर्शी सामग्रियों से बने गोलों, छल्लों या बुलबुलों का उपयोग करके ऐसे ही समान 'कमरे' बनाते हैं। इन्हें ऑप्टिकल माइक्रोकैविटी (optical microcavities) कहा जाता है। इनके भीतर, प्रकाश एक निरंतर लूप में फंस सकता है, जो संरचना के किनारे पर एक धावक की तरह चक्कर लगाता है। यह घटना, जिसे 'विस्परिंग गैलरी मोड' (whispering gallery mode) कहा जाता है, प्रकाश को एक बहुत ही छोटे आयतन में अत्यधिक ऊर्जा संचित करने की अनुमति देती है। क्योंकि प्रकाश इतने लंबे समय तक फंसा रहता है, इसलिए यह उस कैविटी के भीतर या उसके पास रखी किसी भी चीज़ के साथ तीव्रता से परस्पर क्रिया करता है। यह इन सूक्ष्म संरचनाओं को अपने वातावरण में होने वाले सबसे छोटे परिवर्तनों, जैसे कि एक अकेले वायरस की उपस्थिति या एक रासायनिक प्रतिक्रिया के सूक्ष्म बदलाव को पहचानने के लिए अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील उपकरण बनाता है।

द दशकों से, शोधकर्ताओं ने प्रकाश और पदार्थ का अध्ययन करने के लिए इन कांच जैसी कैविटीज़ का उपयोग किया है। हालाँकि, प्रकाश को केंद्रित करने की एक सीमा होती है। इस बाधा को पार करने के लिए, वैज्ञानिकों ने इन कांच की कैविटीज़ को धातु के नैनोकणों (metal nanoparticles) के साथ जोड़ना शुरू कर दिया है। ये धातु के सूक्ष्म कण, जो अक्सर सोने या चांदी से बने होते हैं, सतह पर प्रकाश को कैद करने की एक अनूठी क्षमता रखते हैं, जिसे 'लोकलाइज्ड सरफेस प्लास्मोन रेजोनेंस' (localized surface plasonance) नामक घटना कहा जाता है। जब प्रकाश इन धातु के कणों से टकराता है, तो यह उनके सतह पर मौजूद इलेक्ट्रॉनों को एक साथ कंपन करने के लिए प्रेरित करता है, जिससे कण के किनारे पर एक शक्तिशाली, केंद्रित विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र (electromagnetic field) बनता है। इन धातु के नैनोकणों को कांच की कैविटीज़ के पास या उन पर रखकर, शोधकर्ता एक हाइब्रिड सिस्टम (hybrid system) बनाते हैं। यह नया संयोजन कांच के लंबे समय तक टिकने वाले, उच्च-गुणवत्ता वाले प्रकाश ट्रैपिंग को धातु के तीव्र, स्थानीयकृत क्षेत्र के साथ मिला देता है, जिससे एक ऐसा उपकरण बनता है जो अकेले किसी भी भाग की तुलना में कहीं अधिक शक्तिशाली है।

2023 में भारत, यूनाइटेड किंगडम और संयुक्त राज्य अमेरिका के संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम द्वारा प्रकाशित एक व्यापक समीक्षा इन हाइब्रिड सिस्टम पर नवीनतम निष्कर्षों को एक साथ लाती है। लेखकों ने, जिनमें तुला अग्रवाल, वेंकट आर. दानथम और प्रेम बी. बिष्ट शामिल हैं, यह परीक्षण किया कि कैसे ये फोटोनिक-प्लास्मोनिक हाइब्रिड आधुनिक ऑप्टिक्स के परिदृश्य को बदल रहे हैं। उनका कार्य एक एकल प्रयोग नहीं बल्कि कई अध्ययनों का संश्लेषण है, जो यह देखता है कि ये सिस्टम तीन मुख्य क्षेत्रों में कैसे प्रदर्शन करते हैं: परमाणुओं और अणुओं के प्रकाश उत्सर्जन को नियंत्रित करना, सूक्ष्म लेजर बनाना, और अपने आसपास की दुनिया को महसूस करना (sensing)। समीक्षा इस बात पर प्रकाश डालती है कि जबकि धातु के नैनोकण कुछ ऊर्जा हानि (energy loss) उत्पन्न करते हैं, यह समझौता सार्थक है क्योंकि परिणामी क्षेत्र की तीव्रता इतनी अधिक है कि यह उन नई क्षमताओं को सक्षम बनाती है जो पहले असंभव मानी जाती थीं।

प्रकाश उत्सर्जन को नियंत्रित करने के क्षेत्र में, समीक्षा विस्तार से बताती है कि ये कैविटीज़ परमाणुओं और अणुओं के व्यवहार को कैसे प्रभावित करती हैं। जब एक परमाणु कैविटी के भीतर होता है, तो वातावरण यह बदल देता है कि वह कितनी तेज़ी से फोटॉन उत्सर्जित करता है। एक कमजोर संपर्क में, कैविटी केवल इस रिलीज को तेज या धीमा करती है, जिसे 'पर्सेल प्रभाव' (Purcell effect) कहा जाता है। समीक्षा नोट करती है कि हाइब्रिड कैविटीज़ इस प्रभाव को नाटकीय रूप से बढ़ा सकती हैं, जिससे प्रकाश के उत्सर्जन की दर हजारों या कुछ मामलों में लाखों गुना बढ़ जाती है। मजबूत अंतःक्रियाओं (stronger interactions) में, प्रकाश और परमाणु इतने उलझ जाते हैं कि वे ऊर्जा का इतनी तेज़ी से आदान-प्रदान करते हैं कि वे एक नई, संयुक्त अवस्था बना लेते हैं। लेखक रिपोर्ट करते हैं कि हाइब्रिड सिस्टमों ने इस मजबूत जुड़ाव (strong coupling) को अधिक दक्षता के साथ प्राप्त किया है, जिससे क्वांटम डॉट्स और पेरोव्स्काइट्स (perovskites) सहित विभिन्न प्रकार की सामग्रियों के साथ इन क्वांटम प्रभावों का अवलोकन करना संभव हुआ है, जो भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आशाजनक सामग्रियां हैं।

लेजर (lasing) के लिए इन प्रणालियों का अनुप्रयोग समान रूप से परिवर्तनकारी है। पारंपरिक लेजर को चमकने के लिए काफी ऊर्जा की आवश्यकता होती है, लेकिन माइक्रोकैविटीज़ इस सीमा को कम कर सकती हैं क्योंकि प्रकाश बहुत केंद्रित होता है। समीक्षा दिखाती है कि धातु के नैनोकणों को इन कैविटीज़ में जोड़ने से ऊर्जा की आवश्यकता और भी कम हो जाती है। कुछ प्रयोगों में, शोधकर्ताओं ने 20 माइक्रोवाट जितनी कम शक्ति के स्तर पर लेजिंग हासिल की, जो पहले की आवश्यकता का एक छोटा सा हिस्सा है। यह छोटे, कुशल लेजर विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण है जिन्हें कंप्यूटर चिप्स में एकीकृत किया जा सकता है या जीवित कोशिकाओं के भीतर बिना नुकसान पहुँचाए उपयोग किया जा सकता है। लेखक बताते हैं कि इन हाइब्रिड लेजरों को विभिन्न रंगों के लिए ट्यून किया जा सकता है और वे जैविक प्रक्रियाओं, जैसे कि कोशिका के भीतर प्रोटीन की गति को ट्रैक करने के लिए सटीक मार्कर के रूप में उपयोग करने के लिए पर्याप्त स्थिर हैं।

इन प्रणालियों का सबसे तात्कालिक प्रभाव सेंसिंग (sensing) में है। क्योंकि इन कैविटीज़ में प्रकाश अपने परिवेश के प्रति अत्यंत संवेदनशील होता है, इसलिए कैविटी को छूने वाली हवा या तरल में होने वाला मामूली सा बदलाव भी प्रकाश के रंग को बदल देता है। समीक्षा बताती है कि हाइब्रिड कैविटीज़ प्रोटीन और डीएनए जैसे जैविक अणुओं के साथ-साथ वायरस का पता लगाने में भी असाधारण रूप से अच्छी हैं। धातु के नैनोकण प्रकाश के लिए आवर्धक लेंस (magnifying glasses) के रूप में कार्य करते हैं, जिससे एक अकेले अणु का सिग्नल बहुत मजबूत हो जाता है। लेखक उन अध्ययनों का उल्लेख करते हैं जहाँ इन प्रणालियों ने थायराइड कैंसर के एकल मार्करों और MS2 RNA वायरस जैसे छोटे वायरस का पता लगाया, जिसका वजन केवल कुछ एट्टोग्राम (attograms) होता है। जीव विज्ञान से परे, ये सेंसर रासायनिक वाष्प, पानी में भारी धातुओं और तापमान या दबाव में बदलाव का उच्च सटीकता के साथ पता लगा सकते हैं। हाइब्रिड दृष्टिकोण उन पदार्थों के पता लगाने की अनुमति देता है जिनकी सांद्रता इतनी कम है कि वे पहले पता लगाने योग्य नहीं थे, जिससे चिकित्सा निदान और पर्यावरणीय निगरानी के नए द्वार खुलते हैं।

समीक्षा इस बात पर भी चर्चा करती है कि कैसे ये प्रणालियाँ गैर-रैखिक ऑप्टिकल प्रक्रियाओं (nonlinear optical processes) को बढ़ाती हैं, जहाँ प्रकाश अप्रत्याशित तरीकों से अपना रंग या गुण बदल लेता है। सामान्यतः, इसके लिए बहुत शक्तिशाली लेजर की आवश्यकता होती है, लेकिन हाइब्रिड कैविटीज़ में तीव्र क्षेत्र इन प्रभावों को बहुत कमजोर प्रकाश के साथ भी होने की अनुमति देते हैं। इसमें नए रंगों का प्रकाश उत्पन्न करना या फ्रीक्वेंसी कॉम्ब्स (frequency combs) बनाना शामिल है, जो समय और दूरी को मापने के लिए उपयोग किए जाने वाले सटीक उपकरण हैं। लेखक बताते हैं कि कांच की कैविटी को धातु के नैनोकणों के साथ मिलाने से, इन प्रभावों के लिए दहलीज (threshold) काफी कम हो जाती है, जिससे उन्नत ऑप्टिकल तकनीकें अधिक सुलभ और ऊर्जा-कुशल बन जाती हैं।

आगे देखते हुए, लेखक सुझाव देते हैं कि इस क्षेत्र का भविष्य सामग्रियों और डिजाइनों को परिष्कृत करने में निहित है। हालांकि धातु के नैनोकण प्रभावी हैं, वे कुछ प्रकाश को अवशोषित भी करते हैं, जो एक कमी हो सकती है। समीक्षा उन नई, विलक्षण सामग्रियों के उपयोग की संभावना की ओर संकेत करती है जो भारी ऊर्जा हानि के बिना प्लास्मोनिक्स के लाभ प्रदान करती हैं। जैसे-जैसे निर्माण तकनीक में सुधार होगा, इन हाइब्रिड सिस्टम के और अधिक छोटे और रोजमर्रा की तकनीक में एकीकृत होने की उम्मीद है, जो संभावित रूप से पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक सर्किट को तेज़, प्रकाश-आधारित सर्किटों से बदल देंगे। इस समीक्षा में संकलित कार्य एक रोडमैप के रूप में कार्य करता है, जो दिखाता है कि फोटोनिक और प्लास्मोनिक दुनिया के सर्वश्रेष्ठ गुणों को मिलाकर, वैज्ञानिक प्रकाश पर नियंत्रण का एक नया स्तर अनलॉक कर रहे हैं, जिसके सूक्ष्म दुनिया को देखने, मापने और उसके साथ बातचीत करने के तरीके पर गहरे प्रभाव हैं।