Phonon-Enabled Collective Strong Coupling of Color Centers in a Plasmonic Cavity
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पूरक कैथोडोलुमिनेसेंस और फोटोलुमिनेसेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से देखे गए स्पेक्ट्रली रिज़ॉल्व्ड हाइब्रिडाइजेशन द्वारा प्रमाणित, वाइब्रोनिक ट्रांज़िशन के माध्यम से कई हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड क्वांटम उत्सर्जकों और एक प्लास्मोनिक कैविटी के बीच फोनन-सक्षम सामूहिक सुदृढ़ युग्मन (कलेक्टिव स्ट्रॉन्ग कपलिंग) को कमरे के तापमान पर प्राप्त और नियंत्रित किया जा सकता है।
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यहाँ वर्णित कार्य को समझने के लिए, व्यक्ति को सबसे पहले भविष्य के क्वांटम इंटरनेट के निर्माण खंडों (building blocks) की कल्पना करनी होगी। वैज्ञानिक प्रकाश के ऐसे सूक्ष्म, विश्वसनीय स्रोतों की खोज कर रहे हैं जो व्यक्तिगत कणों, जिन्हें फोटॉन कहा जाता है, के रूप में सूचना ले जा सकें। इन स्रोतों को, जिन्हें अक्सर क्वांटम उत्सर्जक (quantum emitters) कहा जाता है, उज्ज्वल और स्थिर होने की आवश्यकता है, और आदर्श रूप से उन्हें प्रयोगशाला के फ्रीजर की अत्यधिक ठंड के बजाय कमरे के तापमान पर काम करना चाहिए। इस भूमिका के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार हेक्सागोनल बोरोन नाइट्राइड (hexagonal boron nitride) में पाया जाता है, जो एक ऐसी सामग्री है जो ग्रेफाइट की एक एकल परत की तरह दिखती है लेकिन इसमें अद्वितीय परमाणु दोष (atomic defects) होते हैं। ये दोष छोटे बल्बों की तरह कार्य करते हैं जो चमकते हैं। हालाँकि, ये बल्ब केवल प्रकाश उत्सर्जित नहीं करते; वे उस सामग्री के साथ कंपन भी करते हैं जिसमें वे अंतर्निहित होते हैं। ये कंपन, जिन्हें फोनोन (phonons) कहा जाता है, आमतौर पर ऊर्जा को बिखेर देते हैं और प्रकाश को अव्यवस्थित बना देते हैं। चुनौती इन कंपनों से लड़ने के बजाय इनका उपयोग करने की रही है, और इन कई छोटे बल्बों को प्रकाश के एक साझा पात्र के माध्यम से एक-दूसरे से बात करने के योग्य बनाना है, जिसे 'स्ट्रॉन्ग कपलिंग' (strong coupling) नामक प्रक्रिया कहा जाता है।
हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, जर्मनी के कील यूनिवर्सिटी (Kiel University) के शोधकर्ताओं ने कमरे के तापमान पर भी इन कंपन करने वाले प्रकाश स्रोतों को प्रकाश के एक पात्र के साथ मजबूती से परस्पर क्रिया करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने सोने की एक सतह पर हेक्सागोनल बोरोन नाइट्राइड के फ्लेक्स (flakes) रखे, जिसे छोटे छिद्रों के साथ पैटर्न किया गया था। ये छिद्र प्लास्मोनिक वॉइड कैविटी (plasmonic void cavities) के रूप में कार्य करते हैं, जो अनिवार्य रूप से सूक्ष्म जाल (traps) हैं जो प्रकाश को एक बहुत ही छोटे स्थान में सीमित करते हैं, जिससे प्रकाश की तीव्रता अत्यंत उच्च हो जाती है। टीम ने इन फ्लेक्स में ऊर्जा डालने के लिए दो अलग-अलग विधियों का उपयोग किया: इलेक्ट्रों की एक बीम और लेजर प्रकाश की एक बीम। ऐसा करके, वे यह देख सके कि जब दोष (defects) ट्रैप के अंदर थे, तो उनके द्वारा उत्सर्जित प्रकाश बाहर की तुलना में कैसे बदल गया।
शोधकर्ताओं ने पाया कि दोषों द्वारा उत्सर्जित प्रकाश केवल उज्ज्वल या मंद नहीं हुआ; बल्कि इसके चरित्र में मौलिक परिवर्तन आया। गोल्ड कैविटी के भीतर, एक विशिष्ट प्रकार के दोष से निकलने वाला प्रकाश, जो स्वाभाविक रूप से नीला चमकता है, ट्रैप किए गए प्रकाश के साथ मिश्रित होने लगा। इस मिश्रण ने प्रकाश और पदार्थ की एक नई, हाइब्रिड अवस्था बनाई। इस बात का सबसे उल्लेखनीय प्रमाण प्रकाश के रंग का विभाजन (splitting) था। प्रकाश के एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर एक एकल शिखर (peak) के बजाय, शोधकर्ताओं ने एक मापने योग्य अंतराल द्वारा अलग किए गए दो स्पष्ट शिखर देखे। जब उन्होंने सामग्री को उत्तेजित करने के लिए इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग किया, तो यह अंतराल 36.24 meV था। जब उन्होंने लेजर प्रकाश का उपयोग किया, तो अंतराल थोड़ा छोटा, 24.09 meV था। यह विभाजन स्ट्रॉन्ग कपलिंग का लक्षण है, एक ऐसी अवस्था जहाँ ऊर्जा वातावरण में खो जाने से पहले प्रकाश स्रोत और कैविटी के बीच तेजी से अदल-बदल होती है।
यह खोज विशेष रूप से आश्चर्यजनक है क्योंकि वह प्रकाश स्रोत जो इस मजबूत परस्पर क्रिया के लिए जिम्मेदार था, वह दोष की मुख्य, प्रत्यक्ष चमक नहीं थी। इसके बजाय, यह दोष के कंपनों द्वारा निर्मित प्रकाश की एक साइडबैंड (sideband) थी। एक दोष अपना प्राथमिक रंग उत्सर्जित करता है, लेकिन वह अपने कंपनों की ऊर्जा से विस्थापित (shifted) होकर धुंधले रंग भी उत्सर्जित करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इन कंपनों में से एक, विशेष रूप से नीले रंग के उत्सर्जक के अनुक्रम में चौथा रंग, कैविटी के साथ जुड़ गया। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दर्शाता है कि कंपन, जिन्हें अक्सर क्वांटम प्रभावों को खराब करने वाले व्यवधान के रूप में देखा जाता है, वास्तव में मजबूत संबंध बनाने के लिए एक सेतु के रूप में कार्य कर सकते हैं।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि ये परस्पर क्रियाएं कितनी चयनात्मक हैं। शोधकर्ता एक ऐसी सामग्री पर काम कर रहे थे जिसमें दो अलग-अलग प्रकार के प्रकाश-उत्सर्जक दोष शामिल थे। एक प्रकार 443 नैनोमीटर पर नीला चमकता था, और दूसरा 537 नैनोमीटर पर हरा चमकता था। भले ही हरे उत्सर्जक का मुख्य रंग कैविटी की प्राकृतिक आवृत्ति के साथ पूरी तरह से मेल खाता था, फिर भी वह कमजोर रूप से जुड़ा रहा और उसमें कोई विभाजन नहीं दिखा। ऐसा लग रहा था जैसे कैविटी ने हरे प्रकाश स्रोत को पूरी तरह से अनदेखा कर दिया हो। इसके विपरीत, नीले उत्सर्जक ने, अपनी कंपन साइडबैंड के माध्यम से, कैविटी के साथ एक मजबूत बंधन बनाया। यह सुझाव देता है कि एक दोष किस तरह से कंपन करता है, यह निर्धारित करता है कि वह इस मजबूत परस्पर क्रिया में शामिल हो सकता है या नहीं, चाहे उसका मुख्य रंग कैविटी से कितनी भी अच्छी तरह मेल क्यों न खाता हो।
यह पुष्टि करने के लिए कि यह केवल एक भाग्यशाली दोष के बजाय कई उत्सर्जकों का एक सामूहिक प्रभाव था, टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन चलाया। उन्होंने कैविटी के साथ परस्पर क्रिया करने वाले सैकड़ों उत्सर्जकों के एक नेटवर्क का मॉडल तैयार किया। सिमुलेशन ने दिखाया कि मजबूत विभाजन केवल तभी दिखाई दिया जब बड़ी संख्या में उत्सर्जक मौजूद थे और मिलकर कार्य कर रहे थे। यदि उत्सर्जकों की संख्या कम कर दी जाती, तो विभाजन गायब हो जाता। यह इंगित करता है कि परस्पर क्रिया की शक्ति कई उत्सर्जकों के संयुक्त प्रयास से आती है, जो कि 'कलेक्टिव स्ट्रॉन्ग कपलिंग' (collective strong coupling) नामक एक घटना है। इलेक्ट्रॉन बीम, जिसका उपयोग प्रयोग में कई उत्सर्जकों को एक साथ उत्तेजित करने के लिए किया गया था, विशेष रूप से प्रभावी था, यही कारण है कि इलेक्ट्रॉन मापों में विभाजन, लेजर मापों की तुलना में अधिक था, जहाँ उत्तेजना अधिक चयनात्मक थी।
शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि सामग्री की मोटाई और दोषों की गहराई ने परिणामों को कैसे प्रभावित किया। इलेक्ट्रॉन बीम की ऊर्जा को बदलकर, वे पतले फ्लेक्स के विभिन्न स्तरों (depths) की जांच कर सके। उन्होंने पाया कि नीले रंग के उत्सर्जक सामग्री की सतह के पास स्थित थे, जबकि हरे रंग के उत्सर्जक पूरे आयतन (volume) में वितरित थे। इस स्थान के अंतर ने समझाया कि क्यों नीले उत्सर्जक, सतह के करीब होने के कारण, अपने ठीक नीचे ट्रैप किए गए प्रकाश के साथ अधिक प्रभावी ढंग से परस्पर क्रिया कर सके। हरे रंग के उत्सर्जक, जो अधिक गहराई में थे, प्रकाश क्षेत्र के सबसे मजबूत हिस्से से दूर थे और इसलिए कमजोर कपलिंग अवस्था में रहे।
इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, लेजर स्पेक्ट्रोस्कोपी और विस्तृत कंप्यूटर मॉडलिंग के संयोजन के माध्यम से, यह अध्ययन एक स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है कि कैसे प्रकाश, पदार्थ और कंपनों को नए क्वांटम अवस्थाओं को बनाने के लिए व्यवस्थित किया जा सकता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि डैप्ट के कंपन संबंधी साइडबैंड का उपयोग करके, वैज्ञानिक उन स्ट्रॉन्ग कपलिंग व्यवस्थाओं तक पहुँच सकते हैं जो अन्यथा असंभव हो सकती हैं। यह दृष्टिकोण नैनोस्केल पर प्रकाश को नियंत्रित करने का एक नया मार्ग प्रदान करता है, जो यह दर्शाता है कि वे कंपन, जो आमतौर पर क्वांटम प्रणालियों को बाधित करते हैं, वास्तव में उन्हें बनाने के लिए उपयोग किए जा सकते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि भविष्य के क्वांटम उपकरणों को इन फोनोन-सहायता प्राप्त मार्गों (phonon-assisted pathways) का उपयोग करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है, जिससे अत्यधिक शीतलन (cooling) की आवश्यकता के बिना प्रकाश और पदार्थ के बीच मजबूत परस्पर क्रिया संभव हो सकेगी।
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