Programming the Nonlinear Optics of a Nanoporous Photonic Metamaterial by Confined Crystallization

प्रकाश आमतौर पर उन सामग्रियों के अनुसार व्यवहार करता है जिनसे वह गुजरता है। यदि एक किरण कांच से होकर गुजरती है, तो वह मुड़ जाती है; यदि वह दर्पण से टकराती है, तो वह उछल जाती है। लेकिन फोटोनिक्स नामक भौतिकी की एक विशेष शाखा में, वैज्ञानिकों ने पदार्थ को इतनी सूक्ष्म संरचनाओं में व्यवस्थित करके प्रकाश को धोखा देने का तरीका सीख लिया है कि प्रकाश व्यक्तिगत परमाणुओं को "देख" नहीं पाता। इसके बजाय, प्रकाश उस संरचना के आकार और व्यवस्था के प्रति प्रतिक्रिया देता है। एक ऐसे घने जंगल की कल्पना करें जहाँ से उड़ने वाला पक्षी केवल हरे रंग की एक ठोस दीवार देखता है, न कि व्यक्तिगत पेड़। इस क्षेत्र में, शोधकर्ता ऐसे सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं जो एक एकल, एकीकृत पदार्थ के रूप में कार्य करती हैं जिनके गुण प्रकृति में मौजूद नहीं होते। इस क्षेत्र में सबसे रोमांचक संभावनाओं में से एक ऐसी सामग्रियां बनाना है जो प्रकाश के रंग को बदल सकें, जिसे आवृत्ति रूपांतरण (frequency conversion) कहा जाता है, जो उन्नत लेजर और दूरसंचार के लिए आवश्यक है। ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिकों को ऐसी सामग्रियों की आवश्यकता होती है जो न केवल सटीक रूप से संरचित हों, बल्कि जिनमें एक विशिष्ट आंतरिक समरूपता भी हो जो उन्हें गैर-रैखिक तरीके से प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करने की अनुमति दे सके।

चुनौती यह रही है कि ऐसी सामग्रियां बनाने के लिए आमतौर पर जटिल विनिर्माण की आवश्यकता होती है जो सामग्री के गुणों को उसके बनते ही स्थिर कर देता है। एक बार बनने के बाद, सामग्री को आसानी से पुन: प्रोग्राम नहीं किया जा सकता। यूक्रेन, फ्रांस, जर्मनी और पोलैंड के शोधकर्ताओं की एक टीम द्वारा किए गए एक नए अध्ययन ने इस सीमा को पार करने का एक तरीका खोजा है। उन्होंने किसी सामग्री के निर्माण के बाद उसके ऑप्टिकल व्यवहार को "प्रोग्राम" करने का एक तरीका विकसित किया है, जो केवल इस बात को नियंत्रित करने से संभव है कि एक तरल पदार्थ सूक्ष्म, अदृश्य सुरंगों के भीतर ठोस में कैसे बदलता है। परिणाम एक ऐसी सामग्री है जो दो बहुत अलग अवस्थाओं के बीच स्विच की जा सकती है: एक जो प्रकाश के साथ हर दिशा से समान रूप से व्यवहार करती है, और दूसरी जिसमें एक मजबूत, विशिष्ट दिशात्मक प्राथमिकता होती है। यह सफलता एक ऐसे भविष्य का सुझाव देती है जहाँ उन्नत उपकरणों के ऑप्टिकल गुणों को कच्चे माल के चयन द्वारा निर्धारित करने के बजाय, निर्माण प्रक्रिया के दौरान लिखा और फिर से लिखा जा सकता है।

शोधकर्ताओं ने एनोडिक एल्युमिनियम ऑक्साइड से बनी एक झिल्ली का उपयोग किया, जो एक ठोस शीट की तरह दिखती है लेकिन वास्तव में समानांतर, बेलनाकार सुरंगों का एक घना जंगल है। ये सुरंगें अविश्वसनीय रूप से छोटी हैं, जिनका व्यास 32 से 270 नैनोमीटर तक है—जो एक मानव बाल से हजारों गुना पतली हैं। इस निष्क्रिय झिल्ली को एक सक्रिय ऑप्टिकल उपकरण में बदलने के लिए, टीम ने इन सुरंगों को बेंज़िल (benzil) नामक पदार्थ से भरा। बेंज़िल एक आणविक क्रिस्टल है जो, यदि सही ढंग से व्यवस्थित हो, तो गुजरने वाले प्रकाश के रंग को बदल सकता है। प्रयोग की कुंजी केवल सुरंगों को भरना नहीं था, बल्कि यह नियंत्रित करना था कि बेंज़िल उनके अंदर कैसे ठोस होता है। टीम ने क्रिस्टलीकरण की दो अलग-अलग विधियों का परीक्षण किया। पहली विधि में, उन्होंने बेंज़िल को प्रत्येक सुरंग के भीतर स्वतंत्र रूप से जमने दिया, जिसमें पड़ोसियों के बीच कोई संबंध नहीं था। दूसरी विधि में, उन्होंने झिल्ली के आधार पर ठोस बेंज़िल की एक निरंतर परत बनाई, जिसने एक 'सीड' (seed) के रूप में कार्य किया, जिससे हर एक सुरंग में बेंज़िल ऊपर की ओर बढ़ते समय उसी ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) के साथ संरेखित हो गया।

जब बेंज़िल प्रत्येक सुरंग में स्वतंत्र रूप से जमा हुआ, तो परिणाम एक ऐसी सामग्री थी जो ऑप्टिकल रूप से एकसमान दिखाई दी। हालांकि प्रत्येक छोटी सुरंग के भीतर बेंज़िल के अणु सुरंग की दीवारों के साथ संरेखित थे, लेकिन एक सुरंग से दूसरी सुरंग के बीच उनके घूमने की दिशा पूरी तरह से यादृच्छिक (random) थी। यह ऐसा था जैसे हर सुरंग में एक दिशा सूचक यंत्र (compass) की सुई ऊपर की ओर इशारा कर रही हो, लेकिन सुइयां ऊर्ध्वाधर अक्ष के चारों ओर हर संभव दिशा में घूम रही हों। जब प्रकाश इस झिल्ली से टकराया, तो यादृच्छिक ओरिएंटेशन बड़े पैमाने पर एक-दूसरे को रद्द कर दिए गए। सामग्री ने प्रकाश के ध्रुवीकरण (polarization) के बावजूद उसी तरह से प्रतिक्रिया दी, जिससे वह बिना किसी पसंदीदा दिशा वाली सामग्री की तरह व्यवहार करने लगी। इसने पुष्टि की कि जबकि व्यक्तिगत सुरंगें सक्रिय थीं, उनके बीच समन्वय की कमी ने सामग्री को एक मजबूत, सामूहिक दिशात्मक प्रभाव दिखाने से रोक दिया।

हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने दूसरी विधि का उपयोग किया, यानी नीचे एक ठोस परत से क्रिस्टलीकरण को बीज (seeding) के रूप में उपयोग किया, तो परिणाम नाटकीय रूप से बदल गया। ठोस परत ने एक मास्टर टेम्पलेट के रूप में कार्य किया, जिससे सभी सुरंगों में बेंज़िल क्रिस्टल एक ही ओरिएंटेशन में बढ़े। अचानक, यादृच्छिक घूमना बंद हो गया। पूरी झिल्ली, जो सब-मिलीमीटर दूरी तक फैली हुई थी, अब एक एकीकृत दिशा रखती थी। जब प्रकाश इस सामग्री से टकराया, तो इसने प्रकाश के कोण के प्रति दृढ़ता और विशिष्टता से प्रतिक्रिया दी, जिससे यह एक स्पष्ट, प्रोग्राम किए गए एनिसोट्रॉपी (anisotropy) वाली सामग्री की तरह व्यवहार करने लगी। शोधकर्ता अनिवार्य रूप से सामग्री को ऑप्टिकली "अदृश्य" (दिशा के संदर्भ में) होने से अत्यधिक दिशात्मक होने की स्थिति में स्विच कर सकते थे, केवल तरल बेंज़िल को ठंडा करने के तरीके को बदलकर। इसने प्रदर्शित किया कि सामग्री का मैक्रोस्कोपिक ऑप्टिकल व्यवहार बेंज़िल या एल्युमिनियम ऑक्साइड द्वारा अकेले निर्धारित नहीं था, बल्कि उस पथ द्वारा लिखा गया था जिससे क्रिस्टलीकरण हुआ।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि सुरंगों का आकार इस ऑप्टिकल प्रतिक्रिया की ताकत को कैसे प्रभावित करता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि सुरंगें ठोस क्रिस्टल से पूरी तरह से भरी नहीं होती हैं; दीवारों से चिपकी हुई सामग्री की एक पतली, अव्यवस्थित परत होती है जो ऑप्टिकल प्रभाव में योगदान नहीं देती है। यह निष्क्रिय परत लगभग 2.6 नैनोमीटर मोटी है। बहुत संकरी सुरंगों में, यह मृत परत स्थान का एक महत्वपूर्ण हिस्सा घेर लेती है, जिससे सक्रिय क्रिस्टल के लिए बहुत कम जगह बचती है। जैसे-जैसे सुरंगें चौड़ी होती जाती हैं, सक्रिय क्रिस्टल कोर बड़ा होता जाता है, और ऑप्टिकल प्रतिक्रिया बहुत मजबूत हो जाती है। टीम ने अपने नए डेटा को सिलिका ट्यूबों का उपयोग करके किए गए समान प्रयोगों के पिछले परिणामों के साथ जोड़ा ताकि यह दिखाया जा सके कि यह संबंध व्यापक रेंज और विभिन्न होस्ट सामग्रियों में भी सत्य है। यह सुझाव देता है कि इस निष्क्रिय सीमा की मोटाई एक मौलिक सीमा है, जो दीवार की विशिष्ट रसायन विज्ञान के बजाय, कठोर दीवार के विरुद्ध अणुओं के पैक होने के तरीके से निर्धारित होती है।

एक और आश्चर्यजनक खोज तब सामने आई जब शोधकर्ताओं ने देखा कि प्रकाश सामग्री से बाहर कैसे निकलता है। अधिकांश अपारदर्शी, स्कैटरिंग (बिखरने वाली) सामग्रियों में, सतह से टकराकर वापस जाने वाला प्रकाश उस प्रकाश की तुलना में बहुत अधिक होता है जो पूरी तरह से पार हो जाता है। लेकिन इन नैनोकम्पोजिट झिल्लियों में, विशेष रूप से सबसे संकरी सुरंगों वाली, जो प्रकाश सामग्री से होकर गुजरा वह प्रकाश परावर्तित होने वाले प्रकाश की तुलना में बहुत अधिक शक्तिशाली था। इसके अलावा, यह संचारित प्रकाश हर दिशा में नहीं बिखरा; यह एक विशिष्ट कोण पर एक केंद्रित बीम के रूप में बाहर निकला। इस व्यवहार को, जिसका श्रेय शोधकर्ता सुरंगों के सूक्ष्म, थोड़े टेपर्ड (tapered) ढांचे के माध्यम से प्रकाश के अद्वितीय मार्ग को देते हैं, केवल तभी देखा गया जब सुरंगें इतनी छोटी थीं कि उन्हें 'सबवेवलेंथ' (subwavelength) संरचना माना जा सके। यह पुष्टि करता है कि सामग्री एक वास्तविक मेटा-मटेरियल के रूप में कार्य कर रही है, जहाँ सुरंगों की सामूहिक वास्तुकला प्रकाश के पथ को निर्धारित करती है, न कि केवल उसके अंदर के बेंज़िल के गुण।

इस कार्य के निहितार्थ केवल यह समझने तक सीमित नहीं हैं कि प्रकाश सूक्ष्म छिद्रों के माध्यम से कैसे चलता है। क्रिस्टल के ओरिएंटेशन को प्रोग्राम करने की क्षमता का अर्थ है कि वैज्ञानिक अब एक विशिष्ट, ट्यूनेबल ऑप्टिकल सिग्नेचर वाली सामग्रियां डिजाइन कर सकते हैं। सही क्रिस्टलीकरण पथ चुनकर, वे ऐसी सामग्री बना सकते हैं जो या तो आइसोट्रोपिक (isotropic) हो, जो सभी प्रकाश के प्रति समान रूप से प्रतिक्रिया करती है, या अत्यधिक एनिसोट्रोपिक (anisotropic) हो, जो एक विशिष्ट दिशा के प्रति दृढ़ता से प्रतिक्रिया करती है। नियंत्रण का यह स्तर, जो जटिल लिथोग्राफी के बजाय कूलिंग प्रक्रिया में एक साधारण परिवर्तन के माध्यम से प्राप्त किया गया है, नए प्रकार के ऑप्टिकल उपकरणों के द्वार खोलता है। शोधकर्ताओं ने यह भी नोट किया कि चूंकि सामग्री में क्रिस्टल और दीवारों के बीच सूक्ष्म रिक्त स्थान (voids) हैं, इसलिए उन रिक्त स्थानों को पानी से भरकर इसके गुणों को और अधिक ट्यून करना संभव हो सकता है, जो इस बात को बदलेगा कि प्रकाश संरचना के माध्यम से कैसे यात्रा करता है। हालांकि ये अनुप्रयोग अभी शुरुआती चरणों में हैं, अध्ययन यह सिद्ध करता है कि एक मेटा-मटेरियल के ऑप्टिकल व्यक्तित्व को उसके निर्माण के दौरान लिखा जा सकता है, जो प्रकाश के भविष्य को इंजीनियर करने के लिए एक बहुमुखी नया मार्ग प्रदान करता है।