Light-Driven Ultrafast Control of Time-Reversal Symmetry in SrTiO3

पदार्थ केवल परमाणुओं का संग्रह नहीं है; यह समरूपता (symmetry) के नियमों द्वारा शासित एक संरचित दुनिया है। एक क्रिस्टल की कल्पना एक पूर्णतः व्यवस्थित शहर के रूप में करें जहाँ प्रत्येक इमारत का एक विशिष्ट स्थान और दिशा होती है। भौतिकी में, ये व्यवस्थाएँ निर्धारित करती हैं कि सामग्री कैसे व्यवहार करती है, यह तय करती हैं कि वह बिजली का संचालन करेगी, चुंबकीय क्षेत्र को ले जाएगी, या प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करेगी। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि यदि आप इन परमाणुओं की व्यवस्था को बदलते हैं, तो आप सामग्री के गुणों को बदल देते हैं। हालाँकि, इस व्यवस्था की एक गहरी परत भी है: समय-प्रतिवर्ती समरूपता (time-reversal symmetry)। यह अवधारणा एक सरल प्रश्न पूछती है: यदि आप परमाणुओं की गति का एक वीडियो पीछे की ओर (backward) चलाएं, तो क्या दृश्य बिल्कुल वैसा ही दिखेगा जैसा वह आगे की ओर चलते समय था? अधिकांश साधारण सामग्रियों में, उत्तर 'हाँ' है। लेकिन चुंबकों में, उत्तर 'नहीं' है, क्योंकि समय पीछे की ओर चलने पर चुंबकीय क्षेत्र की दिशा उलट जाती है। इस समरूपता को तोड़ना आमतौर पर एक धीमी, कठिन प्रक्रिया है जिसके लिए सामग्रियों को अत्यधिक कम तापमान तक ठंडा करने या मजबूत चुंबकीय क्षेत्र लगाने की आवश्यकता होती है। फिर भी, एक नया अध्ययन बताता है कि प्रकाश स्वयं इन नियमों को एक पल के भीतर तोड़ सकता है, जिससे एक गैर-चुंबकीय सामग्री को पलक झपकने से भी तेज़ एक चुंबकीय सामग्री में बदला जा सकता है।

मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, एमोरी यूनिवर्सिटी और मिननेसोटा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने स्ट्रोंटियम टाइटेनेट नामक एक सामान्य सामग्री में इस घटना का प्रदर्शन किया है। यह पदार्थ एक स्पष्ट, गैर-चुंबकीय इन्सुलेटर है, जिसका अर्थ है कि यह बिजली का संचालन नहीं करता है और इसमें कोई अंतर्निहित चुंबकीय क्षेत्र नहीं है। टीम यह देखना चाहती थी कि क्या वे एक विशिष्ट प्रकार के प्रकाश स्पंदन (light pulse) का उपयोग करके सामग्री को अपनी समय-प्रतिवर्ती समरूपता को तोड़ने के लिए मजबूर कर सकते हैं, जिससे प्रभावी रूप से इसे एक अस्थायी चुंबकीय चरित्र दिया जा सके। ऐसा करने के लिए, उन्होंने टेराहर्ट्ज़ विकिरण (terahertz radiation) के एक स्पंदन का उपयोग किया, जो स्पेक्ट्रम पर माइक्रोवेव और इन्फ्रारेड के बीच स्थित होता है। उन्होंने इस प्रकाश को केवल क्रिस्टल पर नहीं चमकाया; बल्कि उन्होंने इसे सावधानीपूर्वक आकार दिया। दर्पणों के एक लूप और एक वायर ग्रिड वाले एक विशेष ऑप्टिकल सेटअप का उपयोग करके, उन्होंने प्रकाश के स्पंदन को दो भागों में विभाजित किया और उन्हें एक सूक्ष्म विलंब (delay) के साथ पुन: संयोजित किया। इससे एक ऐसा स्पंदन बना जो यात्रा करते समय घूमता रहा, जिसे दीर्घवृत्तीय ध्रुवीकृत तरंग (elliptically polarized wave) के रूप में जाना जाता है। यह घूमता हुआ प्रकाश कोणीय संवेग (angular momentum) ले जाता है, जो एक लट्टू के घूमने के समान एक गुण है, जिसे शोधकर्ताओं ने उम्मीद की थी कि वह क्रिस्टल के परमाणुओं के साथ अंतःक्रिया करेगा।

जब यह घूमता हुआ प्रकाश स्ट्रोंटियम टाइटेनेट क्रिस्टल से टकराया, तो कुछ अप्रत्याशित हुआ। शोधकर्ताओं ने 'सेकंड-हार्मोनिक जनरेशन' नामक तकनीक का उपयोग करके क्रिस्टल से परावर्तित होने वाले प्रकाश को मापा, जो सामग्री की आंतरिक संरचना की समरूपता के प्रति संवेदनशील है। उन्होंने पाया कि क्रिस्टल की प्रतिक्रिया प्रकाश के घूमने की दिशा के आधार पर बदल गई। यदि क्रिस्टल पूरी तरह से सममित रहता, तो प्रकाश चाहे किसी भी दिशा में घूम रहा हो, उसका परावर्तन समान दिखता। इसके बजाय, टीम ने एक स्पष्ट अंतर देखा, एक संकेत जो केवल तभी दिखाई दिया जब प्रकाश में कोणीय संवेग था। इस अंतर ने सिद्ध किया कि घूमते हुए प्रकाश ने क्रिस्टल की समय-प्रतिवर्ती समरूपता को तोड़ दिया था। सामग्री, जो मूल रूप से घनाकार (cubic) आकार की थी, अस्थायी रूप से एक निम्न समरूपता अवस्था में बदल गई, और इस तरह व्यवहार करने लगी जैसे कि प्रकाश द्वारा प्रेरित चुंबकीय क्षेत्र मौजूद हो।

अध्ययन ने आगे यह सिद्ध करने के लिए प्रयास किया कि यह प्रभाव केवल एक यादृच्छिक उतार-चढ़ाव या केवल सामग्री को गर्म करने का परिणाम नहीं था। शोधकर्ताओं ने घूमते हुए प्रकाश के स्पंदनों की तुलना उन स्पंदनों से की जो घूम नहीं रहे थे। बिना घूमते हुए स्पंदनों ने, भले ही वे बहुत शक्तिशाली थे, समान समरूपता-भंग (symmetry-breaking) संकेत उत्पन्न नहीं किया। इसने पुष्टि की कि मुख्य घटक प्रकाश की तीव्रता नहीं, बल्कि उसका कोणीय संवेग था। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने अपने ऑप्टिकल सेटअप में विलंब को समायोजित करके प्रकाश के "स्पिन" को बदला। उन्होंने एक सीधा, रैखिक संबंध पाया: जैसे-जैसे प्रकाश का कोणीय संवेग बढ़ा, समरूपता-भंग का संकेत भी आनुपातिक रूप से बढ़ता गया। इसने पुख्ता प्रमाण दिया कि प्रकाश सीधे तौर पर सामग्री की चुंबकीय समरूपता को नियंत्रित कर रहा था।

यह समझने के लिए कि यह कैसे काम करता है, टीम ने क्रिस्टल के भीतर परमाणुओं के क्वांटम यांत्रिकी (quantum mechanics) का अध्ययन किया। स्ट्रोंटियम टाइटेनेट एक 'क्वांटम पैराइलेक्ट्रिक' के रूप में जाना जाता है, जिसका अर्थ है कि इसके परमाणु लगातार इस तरह से हिल रहे हैं जो उन्हें एक निश्चित, व्यवस्थित पैटर्न में स्थिर होने से रोकता है। शोधकर्ताओं ने एक मॉडल विकसित किया जिससे पता चला कि घूमता हुआ प्रकाश स्पंदन केवल एक शास्त्रीय तरंग की तरह परमाणुओं को धक्का नहीं दे रहा था। इसके बजाय, इसने एक विशिष्ट क्वांटम अवस्था बनाई जहाँ परमाणु एक समन्वित तरीके से घूमने लगे, जिससे सूक्ष्म चुंबकीय क्षण (magnetic moments) उत्पन्न हुए। इस परिसंचरण ने समय-प्रतिवर्ती समरूपता को तोड़ दिया, जिससे प्रभावी रूप से गैर-चुंबकीय क्रिस्टल एक क्षण के लिए चुंबकीय बन गया। सिमुलेशन ने सुझाव दिया कि यह क्वांटम प्रभाव शास्त्रीय भौतिकी की भविष्यवाणी की तुलना में बहुत अधिक शक्तिशाली था, जिससे यह प्रभाव कमरे के तापमान पर भी संभव हो सका, जो एक महत्वपूर्ण खोज है क्योंकि ऐसी नाजुक क्वांटम अवस्थाओं को जीवित रहने के लिए आमतौर पर अत्यधिक ठंड की आवश्यकता होती है।

इस कार्य के निहितार्थ केवल एक एकल क्रिस्टल को समझने तक सीमित नहीं हैं। यह दिखाते हुए कि प्रकाश बिना किसी बाहरी चुंबक या अत्यधिक तापमान के तुरंत सामग्री की समरूपता और चुंबकीय गुणों को बदल सकता है, शोधकर्ताओं ने पदार्थ को नियंत्रित करने का एक नया मार्ग खोल दिया है। यह विधि सामग्री के गुणों को अत्यंत तीव्र समय-सीमा (ultrafast timescales) पर हेरफेर करने की अनुमति देती है, जिससे संभावित रूप से ऐसे नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरण बन सकते हैं जो वर्तमान में संभव गति से कहीं अधिक तेजी से सूचनाओं को संसाधित कर सकें। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि प्रकाश का कोणीय संवेग पदार्थ की मौलिक समरूपताओं को इंजीनियर करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो एक गैर-चुंबकीय ऑक्साइड को घूमते हुए प्रकाश के एक साधारण फ्लैश के साथ चुंबकीय में बदल देता है।