Ultrafast Dissipative Localization of Electronic Energy in AuPt Superlattices
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि धात्विक AuPt सुपरलैटिस, प्रारंभिक उत्तेजना तरंगदैर्घ्य (excitation wavelength) की परवाह किए बिना, प्लैटिनम की विशाल इलेक्ट्रॉनिक ऊष्मा क्षमता और तीव्र इंटरफेशियल परिवहन का लाभ उठाकर सुसंगत जालक फोनन (coherent lattice phonons) को संचालित करने के लिए फेम्टोसेकंड समय-सीमा के भीतर प्लैटिनम परमाणुओं के भीतर अवशोषित ऑप्टिकल ऊर्जा को तेजी से स्थानीयकृत करते हैं।
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धातुओं की सूक्ष्म दुनिया में, ऊर्जा हमेशा वहीं नहीं रहती जहाँ उसे पहली बार डाला जाता है। जब एक लेजर पल्स धातु की सतह से टकराती है, तो यह इलेक्ट्रॉन्स को उत्तेजित करती है, जिससे गर्मी का एक विस्फोट होता है जिसे वैज्ञानिकों को यह समझने के लिए ट्रैक करना पड़ता है कि सामग्रियाँ अत्यधिक तनाव के तहत कैसे व्यवहार करती हैं। यह क्षेत्र, जिसे अल्ट्राफास्ट मैटेरियल्स साइंस (ultrafast materials science) कहा जाता है, इस बात पर केंद्रित है कि प्रकाश के सतह से टकराने के बाद एक ट्रिलियनवें सेकंड में क्या होता है। यहाँ एक प्रमुख अवधारणा यह है कि विभिन्न धातुएँ ऊर्जा को अलग-अलग तरीकों से संचित करती हैं। कुछ धातुएँ, जैसे कि प्लैटिनम, अन्य धातुओं, जैसे कि गोल्ड (सोना), की तुलना में इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा को थामे रखने की बहुत अधिक क्षमता रखती हैं, भले ही वे समान तापमान पर हों। इसका अर्थ यह है कि यदि दो धातुओं को एक साथ दबाया जाता है, तो ऊर्जा स्वाभाविक रूप से एक से दूसरी धातु में प्रवाहित हो सकती है, इसलिए नहीं कि तापमान में अंतर है, बल्कि इसलिए क्योंकि एक सामग्री के पास ऊर्जा को संग्रहीत करने के लिए अधिक स्थान है। ऊर्जा कैसे चलती है और कहाँ स्थिर होती है, इसे समझना तेज़ इलेक्ट्रॉनिक्स और प्रकाश द्वारा संचालित अधिक कुशल रासायनिक प्रतिक्रियाओं को विकसित करने के लिए महत्वपूर्ण है।
शोधकर्ताओं ने अब एक गोल्ड-प्लैटिनम सुपरलैटिस (gold-platinum superlattice) में इस ऊर्जा पुनर्वितरण को होते हुए देखा है, जो इन दोनों धातुओं की बारी-बारी से बनी परतों से बना एक ढांचा है, जिनमें से प्रत्येक केवल कुछ नैनोमीटर मोटी है। जर्मनी और स्वीडन के संस्थानों के वैज्ञानिकों के नेतृत्व वाली टीम ने यह देखने के लिए प्रयोग किया कि क्या ऊर्जा का अंतिम स्थान इस बात पर निर्भर करता है कि लेजर प्रकाश शुरू में कहाँ टकराया था। उन्होंने एक प्रयोग तैयार किया जहाँ वे एक ही नमूने पर दो अलग-अलग रंगों के प्रकाश को चमका सकते थे। 800 नैनोमीटर पर एक रंग, प्लैटिनम की परतों द्वारा लगभग पूरी तरह से अवशोषित किया जाता है। दूसरा रंग, 400 नैनोमीटर पर, गोल्ड और प्लैटिनम दोनों द्वारा लगभग समान रूप से अवशोषित किया जाता है। यदि ऊर्जा वहीं रहती जहाँ इसे पहले अवशोषित किया गया था, तो दोनों रंग बहुत अलग परिणाम देते। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि उपयोग किए गए रंग के बावजूद परिणाम समान था।
यह देखने के लिए कि धातु के भीतर क्या हो रहा है, वैज्ञानिकों ने अल्ट्राफास्ट एक्स-रे डिफ्रैक्शन (ultrafast X-ray diffraction) नामक तकनीक का उपयोग किया। यह विधि एक हाई-स्पीड कैमरे की तरह काम करती है जो परमाणु जाली (atomic lattice) के हिलने की तस्वीरें ले सकती है। जब लेजर नमूने से टकराता है, तो यह एक दबाव तरंग, या ध्वनि तरंग, बनाता है जो परतों के माध्यम से यात्रा करती है। क्योंकि गोल्ड और प्लैटिनम की परतें इतनी पतली हैं और एक दोहराव वाले पैटर्न में व्यवस्थित हैं, यह तरंग 570 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति पर एक विशिष्ट कंपन पैदा करती है। शोधकर्ताओं ने एक्स-रे रिफ्लेक्शन की तीव्रता में समय के साथ होने वाले बदलावों को देखकर इस कंपन की शक्ति को मापा। उन्होंने पाया कि जब ऊर्जा दोनों धातुओं के बीच समान रूप से विभाजित थी, तब भी कंपन उतना ही मजबूत था जितना कि तब था जब ऊर्जा केवल प्लैटिनम पर केंद्रित थी।
यह परिणाम एक तीव्र और शक्तिशाली स्व-संगठित प्रक्रिया को प्रकट करता है। कुछ सौ फेमटोसेकंड के भीतर, वह ऊर्जा जो शुरू में दोनों धातुओं में फैली हुई थी, तेजी से प्लैटिनम परतों में चली गई। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि प्लैटिनम की इलेक्ट्रॉनिक हीट कैपेसिटी (ऊष्मीय क्षमता) बहुत अधिक है, जिसका अर्थ है कि एक निश्चित तापमान पर यह गोल्ड की तुलना में अधिक ऊर्जा रख सकता है। जैसे ही दोनों धातुओं के इलेक्ट्रॉन एक सामान्य तापमान पर पहुँचे, ऊर्जा स्वाभाविक रूप से प्लैटिनम में केंद्रित हो गई ताकि इसकी बड़ी भंडारण क्षमता को भरा जा सके। इस अचानक एकाग्रता ने गोल्ड और प्लैटिनम के इंटरफेस (संयोजन स्थल) पर एक दबाव असंतुलन पैदा किया, जिसने इस कंपन को प्रेरित किया। शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से पुष्टि की कि यह प्रभाव इलेक्ट्रॉनों की गति और परिणामी दबाव द्वारा संचालित था, न कि परमाणु जाली के माध्यम से गर्मी के धीमे संचलन द्वारा।
यह अध्ययन प्रभावी रूप से इस विचार को खारिज करता है कि प्रकाश अवशोषण का प्रारंभिक पैटर्न इन संरचनाओं में ऊर्जा के अंतिम परिदृश्य को निर्धारित करता है। इसके बजाय, ऊर्जा का परिदृश्य स्वयं धातुओं के भौतिक गुणों द्वारा गतिशील रूप से आकार लेता है। प्लैटिनम एक 'सिंक' (sink) की तरह कार्य करता है, जो ऊर्जा को इतनी तेज़ी से अपनी ओर खींचता है कि एक पिकोसेकंड के एक अंश के भीतर प्रारंभिक वितरण अप्रासंगिक हो जाता है। यह प्रक्रिया इतनी तेज़ है कि यह परमाणु कंपन के एक चक्र को पूरा करने से पहले ही तनाव असंतुलन पैदा कर देती है। निष्कर्ष बताते हैं कि विशिष्ट ऊष्मीय क्षमता वाली सामग्रियों को चुनकर, वैज्ञानिक यह नियंत्रित कर सकते हैं कि ऊर्जा कहाँ जाती है, चाहे प्रकाश को कैसे भी वितरित किया जाए। इतने छोटे और तेज़ पैमाने पर ऊर्जा प्रवाह को निर्देशित करने की यह क्षमता स्पिंट्रोनिक्स के लिए नए प्रकार के सामग्रियाँ डिजाइन करने और प्रकाश के साथ रासायनिक प्रतिक्रियाओं को नियंत्रित करने के लिए उपयोगी हो सकती है।
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