Ultrafast tuning of the focusing efficiency of a nonlinear atomically thin lens

प्रकाश वह उपकरण है जिसका उपयोग हम दुनिया को देखने, छवियों को कैप्चर करने और सूचना प्रसारित करने के लिए करते हैं। सदियों से, इस प्रकाश को मोड़ने और केंद्रित करने वाले उपकरण भारीपन और वजन पर निर्भर रहे हैं। पारंपरिक कांच के लेंस सामग्री के मोटे, घुमावदार टुकड़े होते हैं जो स्थान घेरते हैं और उन्हें हमारे आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स को चलाने वाली छोटी चिप्स के भीतर आसानी से सिकोड़ा नहीं जा सकता। ऑप्टिकल सिस्टम को छोटा और तेज़ बनाने के लिए, वैज्ञानिकों ने सूक्ष्म पैटर्न से बनी सपाट सतहों की ओर रुख किया है, जिन्हें मेटासरफेस (metasurfaces) कहा जाता है, जो भारी वक्रता की आवश्यकता के बिना प्रकाश को निर्देशित कर सकते हैं। इनमें से, एक विशिष्ट डिज़ाइन जिसे फ्रेंनेल ज़ोन प्लेट (Fresnel zone plate) कहा जाता है, प्रकाश को एक एकल बिंदु में केंद्रित करने के लिए संकेंद्रित छल्लों की एक श्रृंखला का उपयोग करके एक लेंस की तरह कार्य करता है। हालांकि ये सपाट लेंस अविश्वसनीय रूप से पतले बनाए जा सकते हैं, लेकिन ऐतिहासिक रूप से वे स्थिर वस्तुएं रहे हैं; एक बार बनने के बाद, उनकी प्रकाश को केंद्रित करने की क्षमता स्थिर रहती है, और उनके प्रदर्शन को बदलने के लिए धीमी, भारी यांत्रिक समायोजन या विद्युत धाराओं की आवश्यकता होती है जो ऊष्मा उत्पन्न करती हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा तरीका प्रदर्शित किया है जिससे इन अत्यंत पतले लेंसों को सक्रिय और उत्तरदायी बनाया जा सके, जो एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से में यह बदलने में सक्षम हैं कि वे प्रकाश को कैसे केंद्रित करते हैं। उन्होंने परमाणुओं की एक एकल परत से एक लेंस बनाया, एक ऐसी सामग्री जो इतनी पतली है कि वह अनिवार्य रूप से द्वि-आयामी (two-dimensional) है, और दिखाया कि वे प्रकाश की एक दूसरी किरण का उपयोग करके इसकी फोकस करने की शक्ति को चालू और बंद कर सकते हैं। यह उपलब्धि इस क्षेत्र की एक लंबे समय से चली आ रही समस्या का समाधान करती है: पिछले तरीके या तो उच्च गति वाले डेटा के लिए उपयोगी होने के लिए बहुत धीमे थे या इतने कमजोर थे कि कोई ध्यान देने योग्य अंतर न बना सकें। इस परमाणु सामग्री के अद्वितीय गुणों का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी मॉड्यूलेशन दक्षता प्राप्त की जो तीव्र भी है और मजबूत भी, जो बिना किसी चलते हुए पुर्जे के तुरंत पुनर्गठित होने वाले ऑप्टिकल उपकरणों की ओर एक मार्ग खोलती है।

इस खोज के केंद्र में स्थित लेंस एक सामग्री से बना है जिसे टंगस्टन डाइसेलेनाइड (tungsten diselenide) कहा जाता है, जो एक परमाणु जितनी पतली एक स्थिर शीट के रूप में मौजूद है। शोधकर्ताओं ने इस शीट को एक लेंस के आकार में ढाला जिसमें बाईस संकेंद्रित छल्ले थे, जिससे एक संरचना केवल एक सौ माइक्रोमीटर चौड़ी बन गई। अपनी प्राकृतिक अवस्था में, यह लेंस पारदर्शी होता है और प्रकाश को अच्छी तरह से केंद्रित नहीं करता है क्योंकि सामग्री इतनी पतली है कि अधिकांश प्रकाश सीधे इसके माध्यम से निकल जाता है। हालांकि, इस सामग्री में एक विशेष गुण है: जब इसे एक विशिष्ट रंग के प्रकाश से टकराया जाता है, तो यह प्रकाश का एक नया रंग उत्पन्न कर सकती है जो ठीक दोगुनी आवृत्ति (frequency) पर होता है, एक प्रक्रिया जिसे 'सेकंड-हारमोनिक जनरेशन' (second-harmonic generation) कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने अपने प्रयोग को इस तरह से डिजाइन किया कि लेंस इस नए उत्पन्न प्रकाश को केंद्रित करे, न कि उस प्रकाश को जो बस इसके माध्यम से गुजर जाता है।

लेंस का परीक्षण करने के लिए, टीम ने इस पर प्रकाश की एक किरण डाली, जिससे परमाणु परत ने एक दूसरी, उच्च-आवृत्ति वाली किरण उत्सर्जित की। उन्होंने मापा कि यह नई किरण कहाँ केंद्रित होती है और पाया कि लेंस ने प्रकाश को लगभग दो सौ माइक्रोमीटर की दूरी पर एक बिंदु में सफलतापूर्वक केंद्रित किया। इस फोकसिंग की दक्षता इतनी पतली सामग्री के लिए आश्चर्यजनक रूपamente उच्च थी, जिससे सिद्ध हुआ कि लेंस ने इच्छित रूप से कार्य किया। वास्तविक सफलता तब मिली जब उन्होंने एक नियंत्रण स्विच के रूप में प्रकाश की एक दूसरी किरण पेश की। यह नियंत्रण किरण परमाणु परत के भीतर इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने के लिए ट्यून की गई थी, जो प्रभावी रूप से एक संक्षिप्त क्षण के लिए सामग्री के ऑप्टिकल गुणों को बदल देती है।

जब नियंत्रण किरण लेंस से टकराई, तो इसने इलेक्ट्रॉनों को पुनर्व्यवस्थित किया, जिससे तुरंत सामग्री की दूसरी किरण उत्पन्न करने और केंद्रित करने की क्षमता कम हो गई। यह परिवर्तन लगभग तुरंत, पिकोसेकंड (picoseconds) के समय सीमा के भीतर हुआ, जो एक सेकंड का एक ट्रिलियनवाँ हिस्सा है। शोधकर्ताओं ने देखा कि नियंत्रण किरण सक्रिय होने पर केंद्रित प्रकाश की तीव्रता लगभग तीस प्रतिशत तक गिर गई। यह एक महत्वपूर्ण परिवर्तन है, विशेष रूप से यह देखते हुए कि नियंत्रण किरण अपेक्षाकृत कमजोर थी, जिसे एक वर्ग सेंटीमीटर प्रति दस माइक्रोजूल से कम ऊर्जा की आवश्यकता थी। इसके विपरीत, जब उन्होंने विशेष आवृत्ति-दोहरीकरण प्रभाव के बिना उसी नियंत्रण किरण का उपयोग करके लेंस को मॉड्यूलेट करने का प्रयास किया, तो फोकस में परिवर्तन एक प्रतिशत से भी कम था, जो दर्शाता है कि नया तरीका बहुत अधिक प्रभावी है।

इस स्विचिंग की गति इस बात से निर्धारित होती है कि उत्तेजित इलेक्ट्रॉन कितनी जल्दी अपनी विश्राम अवस्था में वापस आते हैं। शोधकर्ताओं ने इस रिकवरी समय को मापा और पाया कि लेंस लगभग दस पिकोसेकंड में अपनी मूल अवस्था में वापस आ गया। यह गति उन पिछले तरीकों की तुलना में कई गुना अधिक है जो लेंस को ट्यून करने के लिए बिजली या गर्मी पर निर्भर थे, जिन्हें प्रतिक्रिया देने में अक्सर मिलीसेकंड लग जाते हैं। इतनी तेज़ी से लेंस को चालू और बंद करने की क्षमता यह सुझाव देती है कि इन उपकरणों का उपयोग भविष्य की तकनीकों में किया जा सकता है, जिन्हें तीव्र समायोजन की आवश्यकता होती है, जैसे संचार के लिए लेजर बीम को निर्देशित करना या कंप्यूटिंग के लिए अल्ट्रा-फास्ट ऑप्टिकल स्विच बनाना।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि परमाणु सामग्रियों की अत्यधिक पतलापन और गैर-रेखीय प्रकाश पीढ़ी (nonlinear light generation) के भौतिकी को जोड़कर, ऐसे ऑप्टिकल घटकों को बनाना संभव है जो न केवल छोटे हैं बल्कि गतिशील रूप से नियंत्रणीय भी हैं। शोधकर्ताओं ने केवल एक सैद्धांतिक संभावना का अवलोकन नहीं किया; उन्होंने उपकरण बनाया, प्रकाश को मापा और प्रतिक्रिया के समय को सत्यापित किया। उन्होंने दिखाया कि लेंस को एक बहुत ही तेज़ तंत्र के साथ एक बड़े प्रभाव के साथ ट्यून किया जा सकता है, जो एक ऐसा संयोजन है जो पहले कठिन था। यह कार्य सक्रिय नैनोफोटोनिक्स के लिए एक नया मंच स्थापित करता है, जहाँ प्रकाश के फोकस को हमारे आधुनिक विश्व को चलाने वाले इलेक्ट्रॉनिक संकेतों की समान गति और सटीकता के साथ हेरफेर किया जा सकता है, लेकिन स्वयं प्रकाश को ही नियंत्रण तंत्र के रूप में उपयोग किया जाता है।