Photo-induced Wavelength-tuning of Telecom-band Quantum Dot Nanowires Embedded in a Phase Change Material
यह शोध पत्र एक अमोरफस (अनाकार) Sb2S3 शेल के फोटो-प्रेरित स्ट्रेन रिलैक्सेशन (तनाव शिथिलता) का उपयोग करके InP नैनोवायरों में अंतर्निहित InAs क्वांटम डॉट्स को स्पेक्ट्रली ट्यून करने की एक संपर्क-मुक्त, पोस्ट-ग्रोथ विधि को प्रदर्शित करता है, जिससे वेवलेंथ-मैच्ड उत्सर्जकों का निर्माण संभव हो पाता है जो स्केलेबल क्वांटम-फोटोनिक प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यक हैं।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ कंप्यूटर और संचार नेटवर्क बिजली के बजाय प्रकाश पर चलते हैं, जिसमें सूचना ले जाने के लिए फोटॉन नामक प्रकाश के नन्हे कणों का उपयोग किया जाता है। इसे सफल बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को इन फोटॉन को मांग पर (on demand) उत्पन्न करने के लिए मशीनें बनानी होंगी। इस काम के लिए सबसे आशाजनक उपकरणों में से एक अर्धचालक (semiconductor) सामग्री से बनी एक सूक्ष्म तार है, जिसके भीतर परमाणुओं का एक छोटा सा द्वीप, जिसे क्वांटम डॉट कहा जाता है, स्थित होता है। यह डॉट एक कारखाने की तरह कार्य करता है, जो एक बार में एक फोटॉन बाहर निकालता है। इन कारखानों को एक जटिल नेटवर्क में एक साथ काम करने के लिए, उन्हें बिल्कुल एक ही रंग, या तरंग दैर्ध्य (wavelength) के फोटॉन उत्पन्न करने चाहिए। हालाँकि, प्रकृति शायद ही कभी पूर्ण होती है। जब वैज्ञानिक इन तारों को विकसित करते हैं, तो इनके भीतर मौजूद नन्हे डॉट्स के आकार और आकृति में थोड़ा अंतर होता है, जिससे प्रत्येक एक अलग रंग उत्सर्जित करता है। यह विसंगति उन्हें एक एकल, कार्यात्मक प्रणाली में जोड़ना कठिन बना देती है।
चुनौती यह है कि इन डॉट्स को बनने के बाद, उन्हें बिना छुए या तोड़े, उनके रंग को कैसे समायोजित किया जाए। यदि शोधकर्ता प्रत्येक डॉट को उसके पड़ोसियों से मेल खाने के लिए व्यक्तिगत रूप से ट्यून करने का तरीका खोज सकें, तो वे भविष्य के कंप्यूटिंग के लिए आवश्यक बड़े पैमाने के क्वांटम नेटवर्क बना सकते हैं। फ्रांस में शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब बिल्कुल यही करने के लिए एक नई विधि का प्रदर्शन किया है। उन्होंने पाया कि केवल तार के चारों ओर मौजूद एक कोटिंग पर एक विशिष्ट लेजर चमकाकर क्वांटम डॉट्स द्वारा उत्सर्जित होने वाले प्रकाश के रंग को बदला जा सकता है। यह प्रक्रिया संपर्क-रहित (contact-free) है, जिसका अर्थ है कि इसमें किसी भौतिक तार या इलेक्ट्रोड को जोड़ने की आवश्यकता नहीं है, और यह परिवर्तन स्थायी है, जिससे डॉट्स आवश्यकतानुसार सही रंग के लिए ट्यून किए जा dapat हैं।
शोधकर्ताओं ने इंडियम फॉस्फाइड से बने नैनोवायर्स से शुरुआत की, जो एक ऐसी सामग्री है जो दूरसंचार के लिए उत्कृष्ट है, जिसके अंदर इंडियम आर्सेनाइड से बना एक एकल क्वांटम डॉट लगा हुआ है। तार की सुरक्षा करने और अपने प्रयोग के लिए आधार तैयार करने के लिए, उन्होंने पूरी संरचना को एंटीमनी ट्राइसल्फाइड नामक सामग्री की एक पतली परत से ढंक दिया, जिसे एक अव्यवस्थित (disordered) अवस्था में रखा गया था जिसे अमोर्फस (amorphous) कहा जाता है। इसके बाद उन्होंने सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक अंतिम सुरक्षात्मक परत जोड़ी। इन सामग्रियों का यह 'सैंडविच' इस तरह बनाया गया था कि इसके भीतर स्थित क्वांटम डॉट बाहरी परतों द्वारा दबाया जाए, जिसे 'तनाव' (strain) की स्थिति कहा जाता है। यह दबाव स्वाभाविक रूप से उस प्रकाश के रंग को बदल देता है जिसे डॉट उत्सर्जित करता है। मुख्य खोज यह थी कि इस अमोर्फस शेल पर लाल लेजर चमकाकर, शोधकर्ता उस दबाव को धीरे से कम कर सकते थे, जिससे प्रकाश का रंग नियंत्रित और अनुमानित तरीके से बदल जाता था।
जब उन्होंने कमरे के तापमान पर इस विधि का परीक्षण किया, तो शेल पर लेजर चमकाने से क्वांटम डॉट से निकलने वाले प्रकाश में स्पेक्ट्रम के लाल छोर की ओर लगभग 7.7 मिलीइलेक्ट्रॉनवोल्ट का बदलाव आया। यह बदलाव लेजर की गर्मी के कारण हुई कोई अस्थायी गड़बड़ी नहीं थी; यह एक स्थायी परिवर्तन था। तार को लेजर के छोटे, बार-बार होने वाले झटकों (bursts) के संपर्क में लाकर, वे रंग परिवर्तन को धीरे-धीरे बढ़ा सकते थे, और उत्सर्जन को चरण-दर-चरण बदलते हुए देख सकते थे जब तक कि वह एक स्थिर बिंदु तक न पहुँच जाए। इस तरह के सटीक और छोटे-छोटे बदलावों के साथ रंग को ट्यून करने की क्षमता अलग-अलग उत्सर्जकों को एक-दूसरे से मिलाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। यह प्रभाव तब और भी अधिक स्पष्ट हो गया जब उन्होंने तारों को परम शून्य (absolute zero) के ठीक ऊपर, अत्यधिक कम तापमान तक ठंडा किया। इस ठंडे वातावरण में, उसी लेजर एक्सपोज़र ने 28 मिलीइलेक्ट्रॉनवोल्ट का बहुत बड़ा बदलाव पैदा किया, जो फाइन-ट्यूनिंग के लिए एक विस्तृत रेंज प्रदान करता है।
यह समझने के लिए कि यह क्यों हो रहा था, टीम ने सामग्रियों का बारीकी से अध्ययन किया। उन्होंने पुष्टि की कि लेजर ने न तो शेल को पिघलाया या क्रिस्टलीकृत किया, और न ही यह केवल तार को थर्मल विस्तार के माध्यम से रंग बदलने के लिए पर्याप्त गर्म कर रहा था। इसके बजाय, लेजर की रोशनी ने अमोर्फस शेल के भीतर परमाणुओं की एक सूक्ष्म पुनर्व्यवस्था (rearrangement) को प्रेरित किया। इस पुनर्व्यवस्था ने शेल को थोड़ा शिथिल (relax) होने दिया, जिससे उस दबाव में कमी आई जो वह आंतरिक तार पर डाल रहा था। जैसे ही दबाव कम हुआ, आंतरिक क्वांटम डॉट थोड़ा अलग, लाल ऊर्जा वाला प्रकाश उत्सर्जित करने में सक्षम हुआ। शोधकर्ताओं ने एक्स-रे का उपयोग करके सीधे तार में तनाव को मापकर और शेल के शिथिल होने के साथ तार के अपने प्रकाश उत्सर्जन में आए बदलावों को देखकर इसकी पुष्टि की। उन्होंने पाया कि तार संरचनात्मक रूप से सुरक्षित रहा, जिसमें नाजुक क्वांटम डॉट को कोई नुकसान नहीं पहुँचा, और रंग में बदलाव आसपास की सामग्री के भौतिक विश्राम (physical relaxation) का सीधा परिणाम था।
यह कार्य क्वांटम नेटवर्क बनाने में एक बड़ी बाधा के लिए एक व्यावहारिक समाधान प्रदान करता है। एक नैनोवायर के चारों ओर के शेल को समायोजित करने के लिए एक साधारण लेजर का उपयोग करके, वैज्ञानिक अब निर्माण के दौरान होने वाले रंग के प्राकृतिक विविधताओं को ठीक कर सकते हैं। यह विधि बिना किसी भौतिक संपर्क के काम करती है, उत्सर्जित होने वाले प्रकाश की गुणवत्ता को सुरक्षित रखती है, और इसे बड़े समूह के भीतर व्यक्तिगत तारों पर लागू किया जा सकता है। इसका मतलब यह है कि भविष्य में, इंजीनियरों के पास थोड़े बेमेल क्वांटम प्रकाश स्रोतों का एक बैच हो सकता है और वे उन सभी को बिल्कुल एक ही आवृत्ति (frequency) पर ट्यून कर सकते हैं, जिससे वे सहजता से एक साथ काम कर सकें। यह खोज बताती है कि यह विशिष्ट सामग्री, एंटीमनी ट्राइसल्फाइड, एक प्रोग्रामेबल माध्यम के रूप में कार्य कर सकती है जो लेजर के स्पर्श की स्मृति को संचित करती है, जो उन्नत ऑप्टिकल प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यक सटीक रंग मिलान प्राप्त करने हेतु क्वांटम डॉट के परिवेश को स्थायी रूप से बदल देती है।
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