Active Phase and Amplitude Modulation in Perovskite Polaritonic Waveguides
यह शोध पत्र स्थानीय इलेक्ट्रोथर्मल सक्रियण (electrothermal actuation) का उपयोग करके संरचनात्मक चरण परिवर्तनों (structural phase transitions) को प्रेरित करके, हैलाइड पेरोव्स्काइट पोलरिटोनिक वेवगाइड्स में सक्रिय चरण और आयाम मॉड्यूलेशन को प्रदर्शित करता है, जो उच्च-दक्षता ट्यूनिंग और तीव्रता स्विचिंग प्राप्त करता है जो तुलनीय सिलिकॉन मॉड्यूलेटरों से बेहतर प्रदर्शन करता है।
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आधुनिक कंप्यूटर सूचना को स्थानांतरित करने के लिए बिजली पर निर्भर करते हैं, लेकिन डेटा को स्थानांतरित करने का सबसे तेज़ और कुशल तरीका वास्तव में प्रकाश का उपयोग करना है। यह क्षेत्र, जिसे फोटोनिक्स (photonics) कहा जाता है, ऐसे सर्किट बनाने का लक्ष्य रखता है जहाँ प्रकाश की किरणें विद्युत तारों की तरह कार्य करती हैं, जो अविश्वसनीय गति से सूचना ले जाती हैं और बिना उस गर्मी के जो इलेक्ट्रॉनिक चिप्स को धीमा कर देती है। हालाँकि, जबकि प्रकाश को एक निष्क्रिय पथ के माध्यम से निर्देशित करना आसान है, उस प्रकाश को आदेशानुसार अपना व्यवहार बदलने के लिए मजबूर करना कठिन है। उपयोगी ऑप्टिकल कंप्यूटर या उन्नत सेंसर बनाने के लिए, इंजीनियरों को ऐसे पदार्थों की आवश्यकता होती है जो प्रकाश को चालू या बंद कर सकें या उसके समय (timing) को बदल सकें, और वह भी रेत के एक कण जितने छोटे स्थान के भीतर। चुनौती एक ऐसे पदार्थ को खोजने की थी जो प्रकाश को बहुत अधिक अवशोषित किए बिना या बहुत अधिक शक्ति की आवश्यकता के बिना इसे मजबूती से कर सके।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक विशेष प्रकार के क्रिस्टल, जिसे हैलाइड पेरोव्स्काइट (halide perovskite) कहा जाता है, का उपयोग करके प्रकाश को नियंत्रित करने का एक नया तरीका प्रदर्शित किया है। अपने कार्य में, जो एकीकृत फोटोनिक प्रौद्योगिकियों पर एक अध्ययन में प्रकाशित हुआ है, उन्होंने इस सामग्री से सूक्ष्म चैनल, या वेवगाइड्स (waveguides) बनाए और दिखाया कि वे बिजली का उपयोग करके यह बदल सकते हैं कि प्रकाश उनके माध्यम से कैसे यात्रा करता है। उनकी सफलता की कुंजी 'एक्सिटोन-पोलरिटन' (exciton-polaritons) नामक एक घटना में निहित है। जब प्रकाश इस विशिष्ट क्रिस्टल में प्रवेश करता है, तो यह केवल टकराकर वापस नहीं आता; यह सामग्री के भीतर के इलेक्ट्रॉनों के साथ जुड़कर एक हाइब्रिड कण बनाता है। यह नया कण एक प्रकाश किरण और एक पदार्थ तरंग (matter wave) के मिश्रण की तरह कार्य करता है, जो प्रकाश की गति और अपने परिवेश के साथ मजबूती से अंतःक्रिया करने की क्षमता दोनों को विरासत में प्राप्त करता है। क्रिस्टल के एक छोटे हिस्से को एक सूक्ष्म विद्युत हीटर से गर्म करके, शोधकर्ता इस सामग्री में एक संरचनात्मक परिवर्तन को सक्रिय कर सके। यह परिवर्तन हाइब्रिड कणों की ऊर्जा को बदल देता है, जिससे टीम को प्रकाश के रंग (रंग/ऊर्जा) के आधार पर प्रकाश तरंग को या तो विलंबित करने या उसे पूरी तरह से रोकने की अनुमति मिलती है।
उनके द्वारा बनाया गया उपकरण अनिवार्य रूप से पेरोव्स्काइट सामग्री की एक पतली फिल्म में उकेरा गया एक 'Y' आकार का चैनल है। प्रकाश एक तरफ से प्रवेश करता है और दो पथों में विभाजित हो जाता है। इन पथों में से एक के बगल में, शोधकर्ताओं ने धातु से बना एक सूक्ष्म हीटर रखा। जब उन्होंने इस हीटर के माध्यम से एक छोटा विद्युत प्रवाह भेजा, तो उन्होंने पेरोव्स्काइट क्रिस्टल को इतना गर्म किया कि उसकी आंतरिक संरचना बदल गई। यह सामग्री एक महत्वपूर्ण तापमान तक पहुँचने पर एक विशिष्ट रूपांतरण से गुजरती है, जो एक क्रिस्टल व्यवस्था से दूसरी व्यवस्था में बदल जाती है। यह बदलाव उस ऊर्जा स्तर को स्थानांतरित कर देता है जहाँ प्रकाश और पदार्थ सबसे मजबूती से अंतःक्रिया करते हैं। क्योंकि वेवगाइड के माध्यम से यात्रा करने वाला प्रकाश इस ऊर्जा स्तर के प्रति इतना संवेदनशील होता है, इसलिए गर्मी का वह सूक्ष्म परिवर्तन प्रकाश किरण पर नाटकीय प्रभाव डालता है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल भेजे गए प्रकाश के रंग, या ऊर्जा को चुनकर, वे प्रकाश को दो अलग-अलग तरीकों से नियंत्रित कर सकते हैं। जब उन्होंने कम ऊर्जा वाले प्रकाश का उपयोग किया, तो उपकरण एक 'फेज शिफ्टर' (phase shifter) के रूप में कार्य करता था। इस मोड में, हीटर ने प्रकाश को रोका नहीं बल्कि इसके समय को थोड़ा बदलने के लिए इसे धीमा कर दिया। उन्होंने मापा कि एक मिलीमीटर की दूरी पर लगभग 0.2 मिलीवाट की बहुत कम शक्ति, प्रकाश तरंग को आधे चक्र तक स्थानांतरित करने के लिए पर्याप्त थी। यह दक्षता वर्तमान सिलिकॉन-आधारित उपकरणों की तुलना में लगभग दस गुना बेहतर है जो समान आकार के होते हैं, जिन्हें समान परिणाम प्राप्त करने के लिए आमतौर से बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
जब उन्होंने सामग्री के प्राकृतिक अनुनाद (resonance) के करीब, थोड़े उच्च ऊर्जा वाले प्रकाश पर स्विच किया, तो उपकरण अलग तरह से व्यवहार करने लगा। इस अवस्था में, प्रकाश क्रिस्टल के इलेक्ट्रॉनों के साथ अधिक मजबूती से अंतःक्रिया करता है। जब हीटर चालू किया गया, तो इस तीव्र अंतःक्रिया के कारण प्रकाश अवशोषित हो गया, जिससे सिग्नल प्रभावी रूप से बंद हो गया। उपकरण ने एक स्विच की तरह कार्य किया, जिसने प्रकाश की तीव्रता को गर्म की गई सामग्री के प्रति माइक्रोमीटर के एक डेसिबल (decibel) तक कम कर दिया। इसका अर्थ यह है कि केवल 20 मिलीवाट की शक्ति के साथ, वे चैनल की एक भुजा में प्रकाश को पूरी तरह से रोक सकते थे, जबकि दूसरी भुजा अप्रभावित रहती थी। प्रकाश के समय को बदलने और उसे चालू या बंद करने के बीच स्विच करने की यह क्षमता एक ही भौतिक संरचना का उपयोग करके संभव हुई, जो एक महत्वपूर्ण प्रगति है।
अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि ये हाइब्रिड प्रकाश-पदार्थ कण क्रिस्टल के भीतर लंबी दूरी तक निर्देशित किए जा सकते हैं, जो गायब होने से पहले 300 माइक्रोमीटर से अधिक की यात्रा करते हैं। यह लंबी यात्रा दूरी महत्वपूर्ण है क्योंकि यह एक ही सूक्ष्म चिप पर कई घटकों, जैसे स्प्लिटर और स्विच, को रखने की अनुमति देती है। शोधकर्ताओं ने यह भी सत्यापित किया कि हीटिंग अत्यधिक स्थानीयकृत (localized) थी; तापमान में वृद्धि सख्ती से हीटर के बगल वाले चैनल के हाथ (arm) तक ही सीमित थी, जिससे पड़ोसी हाथ पूरी तरह से अछूता रहा। यह सटीकता सुनिश्चित करती है कि इस उपकरण को जटिल सर्किट बनाने के लिए स्केल किया जा सके जहाँ कई स्विच एक-दूसरे में हस्तक्षेप किए बिना अगल-बगल काम करते हैं।
यह प्रदर्शित करके कि पेरोव्स्काइट क्रिस्टल में एक सरल संरचनात्मक परिवर्तन प्रकाश को इतनी प्रभावी ढंग से नियंत्रित कर सकता है, यह कार्य अधिक सघन और ऊर्जा-कुशल ऑप्टिकल सर्किट की ओर एक मार्ग खोलता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि सामग्री की प्रतिक्रिया केवल एक एकल कार्य तक सीमित नहीं है, बल्कि प्रकाश की ऊर्जा को समायोजित करके विभिन्न कार्यों को करने के लिए इसे ट्यून किया जा सकता है। यह लचीलापन सुझाव देता है कि भविष्य के ऑप्टिकल कंप्यूटर वर्तमान तकनीक की तुलना में छोटे, तेज़ और अधिक बहुमुखी घटकों के साथ बनाए जा सकते हैं। ये निष्कर्ष एक स्पष्ट प्रमाण प्रदान करते हैं कि 'एक्सिटोनिक' सामग्रियां अगली पीढ़ी के फोटोनिक उपकरणों के सक्रिय केंद्र के रूप में कार्य कर सकती हैं, जो उच्च-गति डेटा प्रोसेसिंग की आवश्यकता और वर्तमान इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों की सीमाओं के बीच के अंतर को पाटती हैं।
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