Universal tuning of Förster resonance energy transfer in gate-programmable conductor-dielectric-conductor heterostructures

प्रकाश केवल वह नहीं है जो हम देखते हैं; यह ऊर्जा का एक वाहक है जो बिना कभी छुए एक परमाणु से दूसरे परमाणु में कूद सकता है। यह अदृश्य हस्तांतरण, जिसे फ़ोरस्टर रेजोनेंस एनर्जी ट्रांसफर (Förster resonance energy transfer) के रूप में जाना जाता है, प्रकृति की एक मौलिक प्रक्रिया है, जो उत्तेजित परमाणुओं को विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र के माध्यम से अपने पड़ोसियों को अपनी ऊर्जा स्थानांतरित करने की अनुमति देती है। खुली हवा में, यह हस्तांतरण केवल तभी मजबूत होता है जब परमाणु बहुत करीब हों, और जैसे-जैसे वे दूर होते जाते हैं, यह तेजी से घटता जाता है। हालाँकि, परमाणुओं के बीच का स्थान खाली नहीं है; यह अंतरिक्ष के निर्वात (vacuum) से भरा है, जिसे आसपास की सामग्रियों द्वारा आकार दिया जा सकता है। जिस तरह एक दर्पण प्रकाश को परावर्तित करके यह बदल देता है कि वह कहाँ जाएगा, वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि उत्सर्जकों (emitters) को सतहों के पास रखने से उनके चमकने के तरीके और ऊर्जा साझा करने के तरीके को बदला जा सकता है। प्रश्न जो उत्तर देने में कठिन बना हुआ था वह यह था कि क्या हम इस ऊर्जा साझाकरण को एक स्विच के झटके के साथ ट्यून कर सकते हैं, यानी परमाणुओं को बदले बिना खेल के नियमों को बदल सकते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब ठीक ऐसा ही करने का एक तरीका प्रस्तावित किया है, जिसमें दो पतली, विद्युत रूप से नियंत्रित सामग्री की परतों से बनी एक संरचना का उपयोग किया गया है, जिनके बीच में एक इंसुलेटर (कुचालक) की परत सैंडविच की तरह दबी हुई है। एक छोटे, चपटे सैंडविच की कल्पना करें जहाँ ब्रेड के स्लाइस आटे से नहीं, बल्कि ग्राफीन (graphene) जैसी परमाणु रूप से पतली चालक परतों से बने हैं, और भरने वाला हिस्सा एक डाइइलेक्ट्रिक स्पेसर (dielectric spacer) है। इन चालक परतों पर वोल्टेज लागू करके, शोधकर्ता यह बदल सकते हैं कि वे प्रकाश और विद्युत चुम्बकीय तरंगों को कैसे परावर्तित करते हैं। यह परावर्तन का परिवर्तन एक सार्वभौमिक डायल (universal dial) की तरह कार्य करता है, जिससे उन्हें वातावरण को प्रोग्राम करने की अनुमति मिलती है ताकि स्पेसर के भीतर दो परमाणुओं के बीच ऊर्जा हस्तांतरण को तीन पूरी तरह से अलग तरीकों से व्यवहार करने के लिए बनाया जा सके। एक सेटिंग में, हस्तांतरण मानक, तीव्र गिरावट का पालन करता है जो खाली स्थान में देखी जाती है। दूसरी सेटिंग में, हस्तांतरण को कुचल दिया जाता है, जो बहुत कम दूरी पर तेजी से समाप्त हो जाता है। तीसरी सेटिंग में, हस्तांतरण आश्चर्यजनक रूप से बढ़ जाता है, जिससे ऊर्जा सामान्य से कहीं अधिक दूर तक यात्रा कर सकती है, और यह व्यवहार करती है जैसे कि स्थान त्रि-आयामी (3D) के बजाय द्वि-आयामी (2D) हो।

शोधकर्ताओं ने विकसित किया कि यह कैसे काम करता है, इसकी विस्तृत व्याख्या करने के लिए, जो क्वांटम इलेक्ट्रोडायनामिक्स (quantum electrodynamics) के बुनियादी नियमों से शुरू होती है, जो यह नियंत्रित करते हैं कि प्रकाश और पदार्थ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। उन्होंने दिखाया कि ऊर्जा हस्तांतरण को नियंत्रित करने की कुंजी इन दो चालक परतों के परावर्तन गुणों में निहित है। जब परतों को पारदर्शी होने के लिए ट्यून किया जाता है, तो परतों के भीतर के परमाणु ऐसे व्यवहार करते हैं जैसे वे खुले स्थान में हों। लेकिन जब परतों को कुछ प्रकार की तरंगों के लिए पूर्ण दर्पण के रूप में कार्य करने के लिए ट्यून किया जाता है, तो उनके बीच का स्थान अपना चरित्र बदल लेता है। यदि परतों को तरंगों को इस तरह परावर्तित करने के लिए ट्यून किया जाता है कि वे उन्हें रद्द कर दें, तो ऊर्जा हस्तांतरण बाधित और दमित (suppressed) हो जाता है, जिससे यह इतनी तेजी से गिरता है कि दूर के परमाणु एक-दूसरे से बात नहीं कर पाते। इसके विपरीत, यदि परतों को तरंगों को इस तरह परावर्तित करने के लिए ट्यून किया जाता है कि वे उन्हें सुदृढ़ करें, तो प्रकाश का एक विशेष मोड जीवित रहता है जो ऊर्जा को बहुत अधिक व्यापक रूप से फैलने की अनुमति देता है, जिससे प्रभावी रूप से इसकी सीमा बढ़ जाती है।

यह नियंत्रण केवल सैद्धांतिक नहीं है; शोधकर्ताओं ने गणना की है कि इसे वास्तविक सामग्रियों, विशेष रूप से मल्टीलेयर ग्राफीन का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। ग्राफीन के विद्युत गुणों को समायोजित करके, उन्होंने पाया कि वे ऊर्जा हस्तांतरण को इन विभिन्न श्रेणियों के बीच स्विच कर सकते हैं। एक परिदृश्य में, उनकी गणनाओं ने दिखाया कि अर्बियम आयनों (erbium ions) के रूप में जाने जाने वाले दो विशिष्ट प्रकार के परमाणुओं के बीच ऊर्जा का हस्तांतरण सामान्य स्थितियों की तुलना में एक लाख गुना कम किया जा सकता है। यह दमन इसलिए होता है क्योंकि ग्राफीन की परतें उन विशिष्ट मार्गों को अवरुद्ध करने के लिए ट्यून की गई हैं जिनका उपयोग ऊर्जा सामान्य रूप से यात्रा करने के लिए करती है। एक अन्य परिदृश्य में, उन्होंने दिखाया कि ग्राफीन में एक विशिष्ट पैटर्न बनाकर, वे उपलब्ध ऊर्जा अवस्थाओं में एक अंतराल (gap) खोल सकते हैं, जो ऊर्जा को ग्राफीन के कारण नष्ट होने से रोकता है, जबकि इसे परमाणुओं के बीच यात्रा करने की अनुमति देता है। इसका अर्थ है कि परमाणु ऊर्जा को कुशलतापूर्वक साझा कर सकते हैं बिना ग्राफीन द्वारा इसे अवशोषित किए और ऊष्मा में बदले।

इस कार्य के निहितार्थ एक एकल प्रयोग से कहीं आगे तक फैले हुए हैं। परमाणुओं द्वारा ऊर्जा साझा करने के तरीके को विद्युत रूप से प्रोग्राम करने की क्षमता लेजर और ऑप्टिकल एम्पलीफायरों के डिजाइन में क्रांति ला सकती है। कई शक्तिशाली लेजरों में, प्रकाश उत्पन्न करने वाले परमाणु अनजाने में एक-दूसरे से ऊर्जा चुरा सकते हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो लेजर को कितना चमकीला बनाया जा सकता है, इसकी सीमा तय करती है। इस ट्यूनेबल सैंडविच संरचना का उपयोग करके, वैज्ञानिक इस ऊर्जा चोरी को दबा सकते हैं, जिससे परमाणुओं को बहुत अधिक घनत्व में पैक करना और छोटे स्थान में काफी अधिक शक्तिशाली लेजर बनाना संभव हो सकता है। इससे चिकित्सा लेजर से लेकर लंबी दूरी के सेंसिंग सिस्टम तक, हर चीज़ के लिए बहुत अधिक चमकीले, कुशल उपकरण विकसित हो सकते हैं। इसके अलावा, इसी सिद्धांत को परमाणु घड़ियों की स्थिरता में सुधार के लिए भी लागू किया जा सकता है, जो वैश्विक नेविगेशन प्रणालियों का हृदय हैं। घड़ियों में परमाणुओं को एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करने से रोककर, ये घड़ियाँ बहुत अधिक सटीक हो सकती हैं, जिससे संभावित रूप से GPS और अन्य समय-निर्भर तकनीकों की सटीकता में सुधार हो सकता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि इस तकनीक का उपयोग निर्देशित-ऊर्जा प्रणालियों (directed-energy systems) में कैसे किया जा सकता है, जहाँ रक्षा या औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए उच्च-शक्ति वाले लेजर का उपयोग किया जाता है। इन लेजरों में आमतौर पर सीमित करने वाली आंतरिक ऊर्जा हानि को कम करके, प्रस्तावित विधि लेजर माध्यम की शक्ति घनत्व (power density) में नाटकीय वृद्धि करने की अनुमति दे सकती है। इसका मतलब यह नहीं है कि एक छोटा लेजर तुरंत अत्यधिक शक्ति वाला हथियार बन जाएगा, बल्कि यह अधिक ऊर्जा प्रति इकाई आयतन देने वाले अधिक कॉम्पैक्ट और कुशल सिस्टम बनाने के लिए एक नया मार्ग सुझाता है। मुख्य अंतर्दृष्टि यह है कि विद्युत चुम्बकीय वातावरण एक स्थिर पृष्ठभूमि नहीं है; यह एक परिवर्तनशील है जिसे इंजीनियर किया जा सकता है। परमाणुओं को एक ऐसे स्थान में रखकर जहाँ ऊर्जा हस्तांतरण के नियम एक विद्युत गेट द्वारा लिखे जाते हैं, वैज्ञानिक अब एक ऐसे भविष्य की कल्पना कर सकते हैं जहाँ प्रकाश और ऊर्जा का प्रवाह कंप्यूटर चिप में बिजली के प्रवाह की तरह प्रोग्राम करने योग्य हो।

यह कार्य सबसे मौलिक स्तर पर प्रकाश-पदार्थ की परस्पर क्रिया को नियंत्रित करने की हमारी क्षमता में एक महत्वपूर्ण प्रगति है। यह केवल यह देखने से आगे बढ़कर कि सामग्रियां प्रकाश को कैसे प्रभावित करती हैं, सक्रिय रूप से जुड़ाव के नियमों को डिजाइन करने की ओर बढ़ता है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसे मंच का ब्लूप्रिंट प्रदान किया है जहाँ परमाणुओं के संवाद करने की दूरी निर्वात में भौतिकी के नियमों द्वारा निर्धारित नहीं होती है, बल्कि एक डायल है जिसे एक इंजीनियर द्वारा घुमाया जा सकता है। चाहे लक्ष्य ऊर्जा को बह जाने से रोकना हो, इसे और दूर तक जाने देना हो, या परमाणुओं को एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करने से रोकना हो, कंडक्टर-डाइइलेक्ट्रिक-कंडक्टर संरचना एक बहुमुखी और शक्तिशाली उपकरण प्रदान करती है। जैसे-जैसे इन ट्यूनेबल सामग्रियों को बनाने की तकनीक परिपक्व होती है, फोटोनिक्स, सेंसिंग और कंप्यूटिंग में इसके अनुप्रयोगों की संभावनाएं विशाल हो सकती हैं, जो प्रोग्राम करने योग्य निर्वात की अमूर्त अवधारणा को अगली पीढ़ी के ऑप्टिकल उपकरणों के लिए एक व्यावहारिक वास्तविकता में बदल सकती हैं।