Domain-engineered ferroelectric BiFeO thin films for efficient bias-free THz emission
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि BiFeO पतली फिल्मों में फेरोइलेक्ट्रिक डोमेन विन्यास को इंजीनियर करने से बायस-मुक्त टेराहर्ट्ज़ उत्सर्जन में महत्वपूर्ण वृद्धि होती है, जो स्ट्राइप-डोमेन फिल्मों में डोमेन दीवारों पर अल्ट्राफास्ट पोलराइजेशन स्क्रीनिंग को प्रमुख तंत्र के रूप में पहचानता है और प्रकाश-चालित THz स्रोतों को अनुकूलित करने के लिए डोमेन संरचना को एक महत्वपूर्ण डिजाइन पैरामीटर के रूप में स्थापित करता है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ अदृश्य तरंगें, जो डेटा, मेडिकल स्कैन की छवियों और सामान की जांच करती हैं, एक छोटे से चिप द्वारा उत्पन्न की जा सकती हैं जिसे न तो बैटरी की आवश्यकता है, न ही चुंबक की और न ही किसी बाहरी पावर स्विच की। यह टेराเฮर्ट्ज़ (terahertz) विकिरण का वादा है, जो विद्युत चुंबकीय स्पेक्ट्रम का एक हिस्सा है जो माइक्रोवेव और प्रकाश के बीच स्थित है। दशकों से, इन तरंगों को बनाने के लिए भारी उपकरणों या मजबूत विद्युत या चुंबकीय क्षेत्रों वाले जटिल सेटअप की आवश्यकता होती थी ताकि इलेक्ट्रॉनों को गति देने के लिए उन्हें धकेला जा सके। वैज्ञानिकों के लिए चुनौती इस तकनीक को छोटा करने की रही है, ताकि इसे उस भारी हार्डवेयर के बिना रोजमर्रा के उपकरणों के लिए पर्याप्त कुशल बनाया जा सके जो आमतौर पर इसके साथ आता है। इस लघुकरण (miniaturization) की कुंजी उन सामग्रियों में निहित है जिनमें स्वाभाविक रूप से एक आंतरिक विद्युत व्यवस्था होती है, जिन्हें फेरोइलेक्ट्रिक्स (ferroelectrics) के रूप में जाना जाता है। ये सामग्रियां एक स्थायी विद्युत आवेश धारण करती हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक चुंबक चुंबकीय क्षेत्र धारण करता है, लेकिन बिजली के साथ। जब इन पर प्रकाश की एक चमक पड़ती है, तो इन सामग्रियों के भीतर इलेक्ट्रॉन एक समन्वित दौड़ में चल सकते हैं, जिससे टेराहेर्ट्ज़ तरंगों का एक विस्फोट उत्पन्न होता है। बड़ा सवाल यह था कि इस दौड़ को कैसे नियंत्रित किया जाए और इसे उपयोगी बनाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली कैसे बनाया जाए, विशेष रूप से बिना किसी बाहरी बल की सहायता के जो इसे निर्देशित कर सके।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक विशिष्ट सामग्री जिसे बिस्मथ फेराइट (bismuth ferrite) कहा जाता है, उसकी आंतरिक संरचना को इंजीनियर करके इस पहेली के एक महत्वपूर्ण हिस्से को हल कर लिया है। उन्होंने इस सामग्री की पतली फिल्मों (thin films) को लिया और उनके आंतरिक विद्युत आवेशों को एक एकल, समान दिशा से लेकर जटिल, दोहराते हुए पट्टियों (stripes) तक विभिन्न पैटर्न में व्यवस्थित किया। इन फिल्मों पर नीले प्रकाश के अत्यंत तीव्र पल्स (ultrafast pulses) मारकर, उन्होंने इलेक्ट्रॉनों की एक तीव्र गति को प्रेरित किया जिसने टेराहेर्ट्ज़ तरंगों को उत्सर्जित किया। परिणाम आश्चर्यजनक थे: इंजीनियर की गई पट्टीदार पैटर्न वाली फिल्मों ने एक समान दिशा वाली फिल्मों की तुलना में चार गुना अधिक मजबूत तरंगें उत्पन्न कीं। वास्तव में, उनके नए उत्सर्जक के सबसे शक्तिशाली संस्करण ने मौजूदा सर्वोत्तम तकनीक की तुलना में लगभग आधा सिग्नल उत्पन्न किया, जो जटिल चुंबकीय परतों और बाहरी क्षेत्रों पर निर्भर करती है, फिर भी उनके नए उपकरण को ऐसी किसी बाहरी मदद की आवश्यकता नहीं थी। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि जबकि मौजूदा चुंबकीय तकनीक बहुत चमकीले प्रकाश से टकराने पर अपनी दक्षता खोने लगती थी, उनकी नई सामग्री और भी मजबूत होती गई, जो यह सुझाव देती है कि इसमें बढ़ने की काफी गुंजाइश है।
शोधकर्ताओं ने केवल तरंगों की शक्ति को ही नहीं मापा; उन्होंने यह भी पता लगाया कि प्रकाश सामग्री के भीतर बिजली में कैसे बदल जाता है। प्रकाश और नमूने को घुमाकर, वे इलेक्ट्रॉनों के घूमने के विभिन्न तरीकों को अलग कर सके। उन्होंने पाया कि जिन फिल्मों में आंतरिक विद्युत आवेश बगल की ओर (sideways) था, वहाँ प्रकाश ने आवेशों को बस धो दिया, जिससे वे अस्थायी रूप से निष्प्रभावी हो गए और करंट का एक त्वरित उछाल आया। हालाँकि, जिन फिल्मों में आवेश सीधा ऊपर और नीचे की ओर था, वहाँ एक अलग तंत्र प्रभावी हो गया, जो इस अनूठी प्रक्रिया द्वारा संचालित था कि क्रिस्टल संरचना स्वयं प्रकाश पड़ने पर इलेक्ट्रॉनों को कैसे धकेलती है। सबसे सफल फिल्में वे थीं जिनमें पट्टीदार पैटर्न थे। इन फिल्मों में, विभिन्न आवेश क्षेत्रों के बीच की सीमाएं शक्तिशाली आंतरिक राजमार्गों की तरह कार्य करती थीं, जो मजबूत स्थानीय विद्युत क्षेत्र बनाती थीं जो इलेक्ट्रॉनों को और भी अधिक कुशलता से अलग करने में मदद करती थीं। इसका अर्थ था कि सामग्री बिना किसी बाहरी शक्ति स्रोत के ऊर्जा का एक विशाल विस्फोट उत्पन्न कर सकती थी।
यह खोज हमारे प्रकाश-चालित इलेक्ट्रॉनिक्स को डिजाइन करने के तरीके को बदल देती है। केवल उन सामग्रियों को खोजने के बजाय जो बिजली का अच्छा संचालन करती हैं, वैज्ञानिक अब यह देख सकते हैं कि तरंगों की प्रतिक्रिया को अधिकतम करने के लिए सामग्री के आंतरिक डोमेन (domains) को कैसे व्यवस्थित किया जाए। यह अध्ययन सिद्ध करता है कि आंतरिक क्षेत्रों का संगठन एक शक्तिशाली डिजाइन टूल है, जो उत्सर्जित तरंगों की शक्ति और उनके उद्गम दोनों को ट्यून करने में सक्षम है। टीम ने प्रदर्शित किया कि आंतरिक आवेशों के पैटर्न को बदलकर, वे उत्सर्जन के प्रमुख तंत्र को बदल सकते थे और आउटपुट को काफी बढ़ा सकते थे। यह दृष्टिकोण ऐसे सघन, आत्मनिर्भर उपकरणों के निर्माण का मार्ग प्रशस्त करता है जो मांग पर टेराहेर्ट्ज़ तरंगें उत्पन्न कर सकते हैं, और जो उन भारी चुंबकों या उच्च-वोल्टेज स्विचों के बिना काम कर सकते हैं जो वर्तमान में इस तकनीक को सीमित करते हैं। यह कार्य स्थापित करता है कि किसी सामग्री की आंतरिक वास्तुकला (internal architecture) उतनी ही महत्वपूर्ण है जितना कि वह स्वयं सामग्री, जो भविष्य की संचार और संवेदन तकनीकों के लिए कुशल, बायस-मुक्त (bias-free) उत्सर्जकों के एक नए युग के द्वार खोलती है।
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