Localized high-Q resonances enable electrically defined beam steering in lithium niobate metasurfaces
यह शोधपत्र एक लिथियम नियोबेट मेटासरफेस को प्रदर्शित करता है जो 1 μm पिच पर स्वतंत्र चरण नियंत्रण सक्षम करने के लिए उच्च-Q सिलिकॉन गाइडेड-मोड अनुनाद के साथ पोकल्स प्रभाव (Pockels effect) को जोड़कर उच्च-गति, विद्युत रूप से परिभाषित बीम स्टीयरिंग प्राप्त करता है, जिससे 940 MHz मॉड्यूलेशन बैंडविड्थ और ज्यामिति के बजाय बायस पैटर्न द्वारा निर्धारित स्टीयरिंग कोण प्राप्त होते हैं।
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प्रकाश केवल वह नहीं है जिसे हम देखते हैं; वैज्ञानिकों और इंजीनियरों के लिए, यह दुनिया को महसूस करने, विशाल दूरियों तक सूचना भेजने और इमर्सिव विजुअल अनुभव बनाने का एक उपकरण है। इन उपकरणों को काम करने के लिए, हमें प्रकाश की एक किरण को तेजी से और सटीकता से निर्देशित करने की आवश्यकता है, यानी बिना किसी भारी यांत्रिक भाग को हिलाए उसे विभिन्न दिशाओं में मोड़ना। कल्पना कीजिए कि आप अपनी कलाई को झुलाकर टॉर्च को निशाना बनाने की कोशिश कर रहे हैं बनाम केवल प्रकाश के रंग को बदलकर उसे मोड़ने की कोशिश करना; दूसरा वाला आधुनिक ऑप्टिकल अनुसंधान का लक्ष्य है। चुनौती प्रकाश तरंगों के चरण (फेज), या उनके समय (टाइमिंग) को सूक्ष्म स्तर पर नियंत्रित करने में निहित है। यदि हम प्रकाश तरंगों के गुजरने के दौरान उनके समय को समायोजित कर सकें, तो हम किरण को मोड़ सकते हैं। हालाँकि, वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए, जैसे कि स्वयं-चालित कारों या हाई-स्पीड इंटरनेट में, इसे पर्याप्त तेजी से करने के लिए ऐसे पदार्थों की आवश्यकता होती है जो विद्युत संकेत लागू होने पर लगभग तुरंत अपने गुणों को बदल सकें।
स्टैनफोर्ड यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इसे प्राप्त करने का एक नया तरीका विकसित किया है, जिससे एक ऐसी सतह बनाई गई है जो केवल एक विद्युत पैटर्न बदलकर प्रकाश को विभिन्न कोणों पर निर्देशित कर सकती है, न कि कोई नया भौतिक आकार बनाकर। उन्होंने दो शक्तिशाली विचारों को मिलाया: एक विशेष क्रिस्टल जिसे लिथियम नाइओबेट (lithium niobate) कहा जाता है, जो वोल्टेज लागू होने पर अपने ऑप्टिकल गुणों को बदल देता है, और छोटे सिलिकॉन संरचनाएं जो प्रकाश को एक अनुनाद (रेजोनेंट) अवस्था में फंसा लेती हैं। इन सिलिकॉन संरचनाओं को प्रकाश के लिए 'ट्यूनिंग फोर्क' (tuning forks) के रूप में सोचें; जब वे सही आवृत्ति पर कंपन करते हैं, तो वे ऊर्जा को मजबूती से थामे रखते हैं। इन "ट्यूनिंग फोर्क्स" को बहुत उच्च गुणवत्ता वाला बनाकर, शोधकर्ताओं ने विद्युत संकेत के प्रभाव को बढ़ाया, जिससे उन्हें प्रकाश की दिशा को बहुत गति से नियंत्रित करने की अनुमति मिली। परिणाम एक सपाट, ठोस सतह है जो केवल वोल्टेज पर स्विच चालू करके प्रकाश की किरण को विशिष्ट कोणों, जैसे कि 53.5 डिग्री या 32.4 डिग्री पर पुनर्निर्देशित कर सकती है।
यह उपकरण लिथियम नाइओबेट की एक पतली फिल्म पर बनाया गया है, जो बिजली के प्रति तेजी से प्रतिक्रिया करने के लिए जाना जाने वाला पदार्थ है। इस फिल्म के ऊपर, शोधकर्ताओं ने छोटे सिलिकॉन नैनो-एंटीना का एक समूह रखा। ये एंटीना ठोस ब्लॉक नहीं हैं बल्कि इन्हें छोटे खांचों (नॉच) के साथ आकार दिया गया है जो उन्हें प्रकाश के साथ एक बहुत ही विशिष्ट तरीके से बातचीत करने की अनुमति देते हैं। जब प्रकाश सतह से टकराता है, तो वह सिलिकॉन के भीतर एक गाइडेड मोड में फंस जाता है, बाहर निकलने से पहले बार-बार वापस उछलता है। यह ट्रैपिंग प्रभाव एक अनुनाद (रेजोनेंस) पैदा करता है, एक ऐसी अवस्था जहाँ प्रकाश की तीव्रता बढ़ जाती है। इस अनुनाद की गुणवत्ता को 'क्वालिटी फैक्टर' या 'Q' नामक संख्या द्वारा मापा जाता है। इस प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने 1700 से अधिक का Q फैक्टर प्राप्त किया, जिसका अर्थ है कि प्रकाश बाहर निकलने से पहले कई बार चक्कर लगाता है। यह उच्च गुणवत्ता अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिस्टम को बहुत संवेदनशील बनाती है। जब नीचे स्थित लिथियम नाइओबेट पर वोल्टेज लगाया जाता है, तो सामग्री का अपवर्तनांक (refractive index) थोड़ा बदल जाता है। चूंकि प्रकाश बहुत मजबूती से फंसा हुआ है, इसलिए यह मामूली बदलाव भी एंटीना से निकलने वाली प्रकाश तरंग के चरण (फेज) में महत्वपूर्ण परिवर्तन लाता है।
किरण को निर्देशित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एंटीना का आकार नहीं बदला। इसके बजाय, उन्होंने उन पर लागू किए गए विद्युत पैटर्न को बदला। उन्होंने एक "पुश-पुल" (push-pull) डिजाइन का उपयोग किया, जहाँ वोल्टेज पड़ोसी एंटीना के बीच दिशा बदलता है। यह सतह पर चरण परिवर्तनों (phase shifts) का एक दोहराव वाला पैटर्न बनाता है, जो प्रभावी रूप से इस सपाट शीट को एक विवर्तन ग्रेटिंग (diffraction grating) में बदल देता है। एक विवर्तन ग्रेटिंग एक ऐसी सतह है जो अपने पैटर्न के आधार पर प्रकाश को विभिन्न दिशाओं में विभाजित करती है। विद्युत पूर्वाग्रह (electrical bias) को समायोजित करके, शोधकर्ता इस पैटर्न के अंतराल को परिभाषित कर सके। एक विन्यास (configuration) में, उन्होंने प्रकाश को 53.5 डिग्री के कोण पर मोड़ने के लिए पैटर्न सेट किया। दूसरे में, एक अलग विद्युत अनुक्रम का उपयोग करते हुए, उन्होंने उसी प्रकाश को 32.4 डिग्री पर मोड़ा। भौतिक उपकरण बिल्कुल वही रहा; केवल विद्युत निर्देश बदले। यह प्रदर्शित करता है कि स्टीयरिंग कोण बिजली द्वारा परिभाषित होता है, चिप की ज्यामिति द्वारा नहीं।
टीम ने मापा कि यह प्रणाली कितनी अच्छी तरह काम करती है और पाया कि यह 940 मिलियन चक्र प्रति सेकंड, या 940 मेगाहर्ट्ज़ की गति तक प्रकाश को मॉड्युलेट कर सकती है। यह गति कई उच्च-प्रदर्शन वाले अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त है। उन्होंने देखा कि आने वाली प्रकाश शक्ति का लगभग 0.09 प्रतिशत सफलतापूर्वक निर्देशित किरण में परिवर्तित हुआ। हालांकि यह प्रतिशत छोटा लग सकता है, लेकिन यह नई दिशा में शक्ति हस्तांतरण का सीधा माप है, जो पुष्टि करता है कि किरण वास्तव में घूम रही है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि स्टीयरिंग की दक्षता डिवाइस के आकार पर निर्भर करती है। उन्होंने मेटासरफेस के तीन अलग-अलग आकारों का परीक्षण किया और पाया कि डिवाइस जितना छोटा होगा, वह उतनी ही तेजी से प्रतिक्रिया करेगा। सबसे छोटा डिवाइस, जिसका आकार 100 x 100 माइक्रोमीटर था, ने 940 मेगाहर्ट्ज़ की उच्चतम गति प्राप्त की। यह संबंध बताता है कि यदि इन उपकरणों को और छोटा बनाया जाए, तो वे संभावित रूप से कई गीगाहर्ट्ज़ की गति पर कार्य कर सकते हैं।
इस शोध का एक प्रमुख हिस्सा यह समझना था कि ये छोटे एंटीना एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप किए बिना व्यक्तिगत रूप से कैसे नियंत्रित किए जा सकते हैं। चूंकि एंटीना बहुत करीब रखे गए हैं, इसलिए यह जोखिम है कि एक में फंसा हुआ प्रकाश दूसरे में लीक हो सकता है, जिससे वे स्वतंत्र नियंत्रकों के बजाय एक एकल इकाई के रूप में कार्य करने लगेंगे। शोधकर्ताओं ने पाया कि यदि वे एंटीना के बीच एक विशिष्ट अवशिष्ट मोटाई (residual thickness) तक लिथियम नाइओबेट फिल्म को उकेरते (etching) हैं, तो वे इस अवांछित कपलिंग को रोक सकते हैं। उन्होंने गणना की कि पड़ोसियों के बीच की परस्पर क्रिया को उस दर की तुलना में कमजोर रहना चाहिए जिस दर से प्रकाश स्वाभाविक रूप से अनुनाद से क्षय (decay) होता है। उनके मापों ने पुष्टि की कि कपलिंग वास्तव में इतनी कमजोर थी कि प्रत्येक एंटीना के फेज का स्वतंत्र नियंत्रण संभव था, जो जटिल पैटर्न बनाने के लिए आवश्यक है।
अध्ययन ने वर्तमान डिजाइन की सीमाओं को भी संबोधित किया। शोधकर्ताओं ने पाया कि उपलब्ध वोल्टेज के साथ वे कितने चरण परिवर्तन (phase change) प्राप्त कर सकते हैं, यह सीमित था। पूर्ण नियंत्रण प्राप्त करने के लिए, उन्हें या तो उच्च गुणवत्ता वाले कारक (Q factor) या उच्च वोल्टेज की आवश्यकता होगी, लेकिन वोल्टेज सामग्री के गुणों द्वारा सीमित है। उन्होंने सुझाव दिया कि भविष्य के सुधार एंटीना के आकार को परिष्कृत करने से या बेहतर निर्माण तकनीकों का उपयोग करने से हो सकते हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि प्रत्येक एंटीना बिल्कुल एक जैसा व्यवहार करे। इसके बावजूद, यह कार्य सिद्ध करता है कि एक ऐसा बीम-स्टीयरिंग डिवाइस बनाना संभव है जो विद्युत रूप से पुनर्गठित करने योग्य, तेज़ और कॉम्पैक्ट हो।
यह दृष्टिकोण उन प्रौद्योगिकियों के लिए एक नया मार्ग प्रदान करता है जिन्हें प्रकाश के तीव्र और सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। भविष्य में, ऐसे सतहों का उपयोग लाइट डिटेक्शन एंड रेंजिंग सिस्टम, जिसे LiDAR कहा जाता है, में किया जा सकता है, जो स्वायत्त वाहनों के लिए महत्वपूर्ण हैं। वे फ्री-स्पेस ऑप्टिकल कम्युनिकेशन को भी सक्षम बना सकते हैं, जहाँ डेटा फाइबर केबलों के बजाय प्रकाश किरणों का उपयोग करके हवा के माध्यम से भेजा जाता है। बिना चलने वाले पुर्जों के बीम को निर्देशित करने की क्षमता इन प्रणालियों को अधिक टिकाऊ और संभावित रूप से सस्ता बनाती है। इसके अलावा, क्योंकि स्टीयरिंग कोण विद्युत पैटर्न द्वारा निर्धारित होता है, एक ही चिप को सैद्धांतिक रूप से कई अलग-अलग दिशाओं में पॉइंट करने या लेंस जैसे अधिक जटिल आकार बनाने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है, जो इलेक्ट्रॉनिक रूप से केंद्रित और अनफोकस हो सकते हैं। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि केवल वायरिंग पैटर्न बदलकर, वे विभिन्न कोणों के बीच स्विच कर सकते हैं, जिससे यह पता चलता है कि समान नैनो-एंटीना का एक ही सरणी (array) कई कार्य कर सकती है।
यह कार्य मेटासरफेस के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण कदम है, जो इंजीनियर की गई ऐसी सतहें हैं जिन्हें प्रकाश को उन तरीकों से नियंत्रित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो प्राकृतिक सामग्रियां नहीं कर सकतीं। लिथियम नाइओबेट की गति को सिलिकॉन नैनोस्ट्रक्चर की सटीकता के साथ जोड़कर, टीम ने दिखाया है कि उच्च-गति, विद्युत रूप से परिभाषित बीम स्टीयरिंग प्राप्त करना संभव है। उन्होंने इस बात के स्पष्ट डिजाइन नियम प्रदान किए कि उच्च-गुणवत्ता वाले अनुनाद की आवश्यकता और स्वतंत्र नियंत्रण की आवश्यकता के बीच संतुलन कैसे बनाया जाए, जो भविष्य के उपकरणों के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। परिणाम पुष्टि करते हैं कि भले ही वर्तमान प्रोटोटाइप की दक्षता मामूली हो, लेकिन अंतर्निहित भौतिकी एक ऐसी प्रणाली की अनुमति देती है जो तेज़ और लचीली दोनों है, जो एक नई पीढ़ी के ऑप्टिकल उपकरणों के द्वार खोलती है जो वास्तविक समय में अपने वातावरण के अनुकूल हो सकते हैं।
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