All-Optical Control of Interfacial Polarization in MoS$_2$/WSe$_2$ Heterobilayers

प्रकाश का उपयोग लंबे समय से दुनिया को पढ़ने के लिए किया जाता रहा है, लेकिन वैज्ञानिक अब इसका उपयोग पदार्थ की नई अवस्थाओं को लिखने के लिए करने में तेजी से रुचि ले रहे हैं। क्वांटम सामग्रियों के क्षेत्र में, शोधकर्ता इस बात का अध्ययन करते हैं कि कैसे अति-पतली परतों में व्यवस्थित परमाणुओं को ऐसे व्यवहार करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है जो स्वाभाविक रूप से घटित नहीं होते हैं। इस क्षेत्र में एक प्रमुख लक्ष्य ऐसी सामग्रियां बनाना है जो सूचना को संग्रहीत कर सकें या विद्युत धाराओं को वर्तमान इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में कहीं अधिक गति से स्विच कर सकें। ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर विद्युत आवेश के स्थायी पृथक्करण को प्रेरित करने के तरीके खोजते हैं, जिसे ध्रुवीकरण (polarization) के रूप में जाना जाता है, जहाँ सामग्री का एक हिस्सा थोड़ा धनात्मक और दूसरा थोड़ा ऋणात्मक हो जाता है। पारंपरिक रूप से, ऐसी अवस्थाओं को बनाने के लिए रासायनिक परिवर्तनों या स्थिर विद्युत क्षेत्रों की आवश्यकता होती है, जो धीमे और उलटने में कठिन होते हैं। एक अधिक आशाजनक मार्ग तीव्र, अत्यंत तीव्र (ultrafast) प्रकाश स्पंदों (pulses) का उपयोग करना है ताकि इलेक्ट्रॉनों को नई व्यवस्थाओं में मजबूर किया जा सके, जिससे संभावित रूप से प्रकाश की गति से संचालित होने वाले मेमोरी डिवाइस बनाए जा सकें।

एक हालिया अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने जांच की कि क्या यह पूर्णतः-ऑप्टिकल नियंत्रण दो अलग-अलग परमाणु-पतली सामग्रियों के एक विशिष्ट स्टैक में काम कर सकता है: मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड और टंगस्टन डाइसेलेनाइड। ये सामग्रियां एक परिवार से संबंधित हैं जिसे ट्रांजिशन मेटल डाइचैल्कोजेनाइड्स (transition metal dichalcogenides) के रूप में जाना जाता है, जो अपनी स्थिरता और विद्युत आवेशों को कुशलतापूर्वक अलग करने की क्षमता के लिए प्रसिद्ध हैं। जब इन्हें एक साथ रखा जाता है, तो वे स्वाभाविक रूप से एक ऐसी संरचना बनाते हैं जहाँ इलेक्ट्रॉन एक परत से दूसरी परत में जाने को प्राथमिकता देते हैं, जिससे आवेश का एक आधारभूत पृथक्करण उत्पन्न होता है। फ्रेडरिक-शिलर यूनिवर्सिटी जेना के भौतिकविदों के नेतृत्व वाली टीम ने क्वांटम यांत्रिकी के नियमों पर आधारित शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया ताकि यह देखा जा सके कि विभिन्न तीव्रता वाले लेजर स्पंदों से टकराने पर यह स्टैक कैसे प्रतिक्रिया करता है। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या प्रकाश केवल इलेक्ट्रॉनों को अस्थायी रूप से झकझोर सकता है; वे जानना चाहते थे कि क्या यह सामग्री को एक नई, स्थायी ध्रुवीकरण अवस्था में लॉक कर सकता है जो प्रकाश बंद होने के बाद भी बनी रहती है।

शोधकर्ताओं ने स्टैक्ड परतों की परमाणु संरचना का मॉडल तैयार करने से शुरुआत की, जिसमें इस तथ्य को ध्यान में रखा गया कि दोनों सामग्रियां पूरी तरह से एक साथ फिट नहीं होती हैं, जिससे क्रिस्टल लैटिस में थोड़ा तनाव (strain) पैदा होता है। इसके बाद, उन्होंने 2.75 इलेक्ट्रॉन वोल्ट की ऊर्जा के अनुरूप एक विशिष्ट रंग के लेजर स्पंदों को सामग्री पर चमकाने के प्रभाव का अनुकरण किया। जैसे-जैसे उन्होंने लेजर की चमक को धीरे-धीरे बढ़ाया, उन्होंने तीन अलग-अलग व्यवहार देखे। कम तीव्रता पर, सामग्री अपेक्षित व्यवहार करती है, जहाँ इलेक्ट्रॉन एक अनुमानित, प्रतिवर्ती (reversible) तरीके से आगे-पीछे होते हैं। जैसे-जैसे प्रकाश उज्जवल होता गया, प्रतिक्रिया अधिक जटिल होती गई, जिसमें परतों के बीच स्थानांतरित होने वाले आवेश की मात्रा काफी बढ़ गई। हालाँकि, सबसे नाटकीय परिवर्तन तब हुआ जब लेजर की तीव्रता 5×10^12 वाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर के एक विशिष्ट स्तर तक पहुँच गई।

इस उच्च तीव्रता पर, सिमुलेशन ने सामग्री के व्यवहार में एक मौलिक बदलाव का खुलासा किया। इलेक्ट्रॉन अब केवल दोलन (oscillate) नहीं कर रहे थे; उन्हें एक नई, असंतुलित व्यवस्था में मजबूर किया गया था जो लेजर स्पंद समाप्त होने के बहुत बाद तक बनी रही। इसके परिणामस्वरूप एक मजबूत, स्थायी द्विध्रुव आघूर्ण (dipole moment) का निर्माण हुआ, जिसका अर्थ है कि सामग्री ने एक निश्चित विद्युत ध्रुवता प्राप्त कर ली थी जो पहले मौजूद नहीं थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह नई अवस्था सुदृढ़ थी, जो सामग्री के गुणों को सूक्ष्म रूप से ट्यून करने के लिए इसके भीतर तनाव (strain) को समायोजित करने के बावजूद स्थिर रही। इस अवस्था में संक्रमण क्रमिक वृद्धि नहीं था, बल्कि एक अचानक उछाल था, जो यह दर्शाता है कि सामग्री एक गैर-परटर्बेटिव (non-perturbative) शासन में प्रवेश कर गई थी जहाँ प्रकाश इतना शक्तिशाली था कि उसने इंटरफ़ेस के इलेक्ट्रॉनिक परिदृश्य को मौलिक रूप से बदल दिया।

यह समझने के लिए कि वास्तव में क्या हो रहा था, टीम ने लेजर के प्रति सामग्री की प्रतिक्रिया के रूप में उत्सर्जित प्रकाश का विश्लेषण किया। कमजोर प्रकाश के शासन में, सामग्री केवल आने वाले रंग को परावर्तित करती है। जैसे-जैसे प्रकाश तीव्र होता गया, सामग्री नए रंग, या हार्मोनिक्स (harmonics) उत्सर्जित करने लगी, जो मूल आवृत्ति के गुणक होते हैं। जब लेजर अपनी महत्वपूर्ण तीव्रता तक पहुँचा, तो उत्सर्जित प्रकाश का स्पेक्ट्रम नाटकीय रूप से विस्तृत हो गया, जो संकेत देता है कि इलेक्ट्रॉनों को एक अराजक, उच्च-ऊर्जा अवस्था में धकेला जा रहा था जो अंततः नई ध्रुवीकृत विन्यास में स्थिर हो गई। यह उत्सर्जन पैटर्न एक सामान्य अवस्था से मेटास्टेबल (metastable), प्रकाश-प्रेरित ध्रुवीय अवस्था में संक्रमण के स्पष्ट फिंगरप्रिंट के रूप में कार्य करता है।

अध्ययन ने यह भी पता लगाया कि यांत्रिक तनाव (mechanical strain), जो इस प्रकार की परतों वाली सामग्रियों में सामान्य है, इस प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि तनाव सामग्री के सटीक ऊर्जा स्तरों को बदल सकता है, इसने स्थायी द्विध्रुव (dipole) के निर्माण को नहीं रोका। इसके बजाय, तनाव एक ट्यूनिंग नॉब (tuning knob) के रूप में कार्य करता था, जिससे वैज्ञानिकों को नई अवस्था को अस्थिर किए बिना रेजोनेंस स्थितियों को समायोजित करने की अनुमति मिली। यह सुझाव देता है कि यह प्रभाव स्वयं इंटरफ़ेस का एक सुदृढ़ गुण है, जो वास्तविक दुनिया के नमूनों में पाई जाने जाने वाली खामियों का सामना करने में सक्षम है। सिमुलेशन ने दिखाया कि प्रेरित द्विध्रुव आघूर्ण प्राकृतिक अवस्था की तुलना में छह गुना तक बढ़ सकता है, जो एक महत्वपूर्ण वृद्धि है और प्रकाश की तीव्रता के साथ बढ़ती है।

हालाँकि सिमुलेशन आसपास के वातावरण में ऊर्जा हानि को ध्यान में रखे बिना किए गए थे, परिणाम एक सैद्धांतिक ब्लूप्रिंट प्रदान करते हैं कि इस तरह की अवस्था कैसे प्राप्त की जा सकती है। लेखक नोट करते हैं कि वास्तविक दुनिया के परिवेश में इस ध्रुवीय अवस्था का बने रहना इस बात पर निर्भर करेगा कि सामग्री कितनी तेज़ी से ऊर्जा खोती है, जो एक ऐसा कारक है जिस पर आगे की जांच की आवश्यकता है। फिर भी, निष्कर्ष यह प्रदर्शित करते हैं कि प्रकाश का उपयोग फेमटोसेकंड पैमाने पर एक गैर-अस्थिर (non-volatile) ध्रुवीयता की अवस्था को स्विच करने के लिए किया जा सकता है। यह क्षमता अंततः अत्यधिक तीव्र ऑप्टिकल स्विच और मेमोरी डिवाइस के विकास की ओर ले जा सकती है जो जटिल वायरिंग या रासायनिक डोपिंग पर निर्भर नहीं करते हैं। वैन डेर वाल्स हेटरोस्ट्रक्चर (van der Waals heterostructure) में मजबूत-क्षेत्र प्रकाश का उपयोग करके स्थायी इलेक्ट्रॉनिक संरचना को प्रेरित करने की क्षमता को सिद्ध करके, यह कार्य प्रकाश के माध्यम से पदार्थ को नियंत्रित करने का एक नया मार्ग खोलता है, जो अगली पीढ़ी की उच्च-गति ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रौद्योगिकियों की ओर एक संभावित पथ प्रदान करता है।