Mid-infrared distributed-feedback lasing from black phosphorus under nanosecond excitation
यह शोध पत्र सिलिकॉन फोटोनिक ग्रेटिंग्स पर ब्लैक फॉस्फोरस को एकीकृत करके एक कमरे के तापमान वाले, ट्यूनेबल मिड-इन्फ्रारेड डिस्ट्रीब्यूटेड-फीडबैक लेजर का प्रदर्शन करता है, जो नैनोसेकंड उत्तेजना के तहत कम लेजिंग थ्रेशोल्ड प्राप्त करता है और सिलिकॉन फोटोनिक्स के साथ हेटेरोजेनियस इंटीग्रेशन के लिए एक आशाजनक मंच प्रदान करता है।
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अवरक्त (इन्फ्रारेड) स्पेक्ट्रम के मध्य में यात्रा करने वाला प्रकाश अदृश्य को देखने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। प्रकाश की यह विशिष्ट पट्टी, जो मानवीय आँख द्वारा देख पाने की क्षमता से ठीक परे स्थित है, वायुमंडल के माध्यम से आसानी से गुजर जाती है और अणुओं के रासायनिक बंधों के साथ मजबूती से परस्पर क्रिया करती है। इस कारण से, वैज्ञानिक और इंजीनियर लंबे समय से इस प्रकाश के विश्वसनीय स्रोतों की तलाश कर रहे हैं ताकि हवा में प्रदूषकों का पता लगाया जा सके, सांस के विश्लेषण के माध्यम से बीमारियों का निदान किया जा सके, या लंबी दूरी पर वायरलेस तरीके से डेटा संचारित किया जा सके। दशकों तक, इस प्रकाश को उत्पन्न करने वाले उपकरण काम करने में कठिन रहे हैं। वे आमतौर पर विभिन्न क्रिस्टल सामग्रियों के जटिल स्तरों से बने होते हैं जिन्हें परमाणु सटीकता के साथ एक साथ उगाया जाना चाहिए। हालांकि ये पारंपरिक लेजर अच्छी तरह से काम करते हैं, लेकिन उनकी कठोर निर्माण आवश्यकताएं उन्हें उन सिलिकॉन चिप्स के साथ जोड़ना कठिन बना देती हैं जो हमारे आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स को शक्ति प्रदान करते हैं। इस अंतर को पाटने के लिए, शोधकर्ताओं ने सामग्रियों के एक नए वर्ग की ओर रुख किया है: परमाणुओं की पतली, लचीली चादरें जिन्हें किसी भी सतह पर एक स्टिकर की तरह चिपकाया जा सकता है, बिना नीचे की क्रिस्टल संरचना से पूरी तरह मेल खाने की आवश्यकता के।
इन शीट जैसी सामग्रियों के बीच, ब्लैक फास्फोरस मिड-इन्फ्रारेड प्रकाश उत्पन्न करने के लिए एक विशेष रूप से आशाजनक उम्मीदवार के रूप में उभरा है। कई अन्य सामग्रियों के विपरीत जो केवल एक संकीर्ण सीमा में काम करती हैं, ब्लैक फास्फोरस को इसकी मोटाई बदलकर अलग-अलग रंगों पर प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए ट्यून किया जा सकता है। हालांकि, इस सामग्री को एक व्यावहारिक लेजर में बदलना एक चुनौती रहा है। पिछले प्रयोगों ने दिखाया कि ब्लैक फास्फोरस लेजर प्रकाश उत्पन्न कर सकता है, लेकिन केवल अत्यंत अल्प और तीव्र ऊर्जा के झटकों के प्रहार से, जो मात्र क्वाड्रिलियनवें हिस्से के सेकंड तक चलते हैं। ये क्षणिक पल्स उत्तेजित कणों की एक अराजक और अल्पकालिक स्थिति पैदा करते हैं जिसे बनाए रखना कठिन होता है। एक वास्तविक दुनिया के उपकरण की ओर बढ़ने के लिए, शोधकर्ताओं को यह सिद्ध करने की आवश्यकता थी कि ब्लैक फास्फोरस अधिक प्रबंधनीय स्थितियों में लेज़िंग कर सकता है, विशेष रूप से उन पल्स के साथ जो एक हजार गुना लंबे होते हैं, जो मानक इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा संभाले जाने वाले समय के करीब हैं।
पॉलीटेक मॉन्ट्रियल के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब बिल्कुल यही प्रदर्शित किया है। उन्होंने एक सिलिकॉन डाइऑक्साइड ग्रेटिंग (एक सतह जिस पर सूक्ष्म उभार या खांचे उकेरे गए हैं) के ठीक ऊपर रखी गई ब्लैक फाोरस की एक पतली परत का उपयोग करके एक लेजर बनाया। यह ग्रेटिंग एक दर्पण के रूप में कार्य करती है जो प्रकाश को पतली शीट के भीतर फंसा लेती है, जिससे वह तब तक आगे-पीछे उछलने के लिए मजबूर होती है जब तक कि वह एक केंद्रित बीम के रूप में बाहर निकलने के लिए पर्याप्त ऊर्जा संचित नहीं कर लेती। ब्लैक फाोरस की क्रिस्टल संरचना को ग्रेटिंग के उभारों के साथ सावधानीपूर्वक संरेखित करके, टीम प्रकाश को कुशलतापूर्वक निर्देशित करने में सक्षम रही। जब उन्होंने डिवाइस पर एक अरबवें हिस्से के सेकंड तक चलने वाला लेजर पल्स मारा, तो ब्लैक फाोरस ने मिड-इन्फ्रारेड रेंज में प्रकाश की एक तीक्ष्ण, संकीर्ण बीम उत्सर्जित करके प्रतिक्रिया दी। इस प्रकाश का रंग स्थिर नहीं था; अलग-अलग मोटाई की फ्लेक्स का उपयोग करके, शोधकर्ता आउटपुट को 3.79 और 4.05 माइक्रोमीटर के बीच ट्यून कर सकते थे, जो सेंसिंग अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण विंडो को कवर करता है।
इस नए लेजर का प्रदर्शन प्रभावशाली था, विशेष रूप से इसे शुरू करने के लिए आवश्यक ऊर्जा के संबंध में। कमरे के तापमान पर, डिवाइस ने केवल 0.25 मिलीजूल प्रति वर्ग सेंटीमीटर के पंप ऊर्जा के साथ लेज़िंग शुरू कर दी। यह एक उल्लेखनीय कम थ्रेशोल्ड है, जो सुझाव देता है कि यह सामग्री ऊर्जा को प्रकाश में बदलने में अत्यधिक कुशल है। जब शोधकर्ताओं ने डिवाइस को 110 केल्विन तक ठंडा किया, तो लेजर शुरू करने के लिए आवश्यक ऊर्जा दस गुना गिरकर 0.015 मिलीजूल प्रति वर्ग सेंटीमीटर हो गई। यह नाटकीय सुधार इंगित करता है कि प्रकाश उत्पन्न करने की सामग्री की क्षमता कमरे के तापमान पर ऊष्मा और कणों की परस्पर क्रिया द्वारा सीमित होती है, लेकिन यह ठंडे वातावरण में असाधारण रूप से अच्छा प्रदर्शन करती है। अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि ब्लैक फाोरस फ्लेक की मोटाई एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है; मोटी फ्लेक्स ने प्रकाश को अधिक प्रभावी ढंग से फंसाया, जिससे लेजिंग अवस्था तक पहुँचने के लिए आवश्यक ऊर्जा को कम करने में मदद मिली।
यह कार्य कॉम्पैक्ट, एकीकृत प्रकाश स्रोतों के विकास की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह सिद्ध करके कि ब्लैक फाोरस नैनोसेकंड उत्तेजना के तहत लेजर प्रकाश उत्पन्न कर सकता है, शोधकर्ताओं ने इस सामग्री को विद्युत संचालन की आवश्यक स्थितियों के करीब पहुँचा दिया है, जहाँ एक स्थिर करंट बाहरी लेजर के बजाय डिवाइस को शक्ति प्रदान करेगा। इन लेजरों को जटिल क्रिस्टल वृद्धि के बिना सीधे सिलिकॉन चिप्स पर एकीकृत करने की क्षमता सेंसर और संचार उपकरणों की एक नई पीढ़ी के द्वार खोलती है। हालांकि वर्तमान प्रयोग ऑप्टिकल पंपिंग पर निर्भर करते हैं, यहाँ प्राप्त निम्न ऊर्जा थ्रेशोल्ड यह सुझाव देते हैं कि इस लेजर का पूर्णतः विद्युत संस्करण एक वास्तविक संभावना है, जो मिड-इन्फ्रारेड सेंसिंग की शक्ति को रोजमर्रा की तकनीइयों के व्यापक दायरे में लाने की क्षमता रखता है।
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