Chiroptical Valleytronic in SnSe

हमारी दुनिया को बनाने वाली ठोस सामग्रियों के भीतर, इलेक्ट्रॉन केवल स्थिर नहीं रहते या सीधी रेखाओं में नहीं चलते। वे तरंगों के रूप में मौजूद होते हैं जो क्रिस्टल लैटिस (crystal lattice) के माध्यम से लहरों की तरह बहते हैं, और अपने साथ एक छिपा हुआ ज्यामितीय आकार लेकर चलते हैं जो यह निर्धारित करता है कि वे प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। इस आकार को, जो इलेक्ट्रॉन की तरंग प्रकृति का एक गुण है, इलेक्ट्रॉन के पदार्थ के माध्यम से चलने के तरीके में एक सूक्ष्म घुमाव या स्पिन के रूप में सोचा जा सकता है। जब वैज्ञानिक इन सामग्रियों पर प्रकाश डालते हैं, तो यह छिपा हुआ ज्यामिति यह तय करती है कि कौन से इलेक्ट्रॉन उत्तेजित होंगे और वे कहाँ जाएंगे। वर्षों तक, शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार के सपाट, मधुमक्खी के छत्ते के आकार के क्रिस्टल पर ध्यान केंद्रित किया है जहाँ यह प्रभाव बहुत मजबूत होता है, जिससे वे प्रकाश के स्पिन के आधार पर इलेक्ट्रॉनों को अलग-अलग समूहों में वर्गीकृत कर पाते हैं। हालाँकि, एक बड़ा प्रश्न बना हुआ था: क्या प्रकाश के स्पिन द्वारा इलेक्ट्रॉनों को छांटने की यह क्षमता उन सामग्रियों में भी काम करती है जो मधुमक्खी के छत्ते जैसी बिल्कुल नहीं दिखतीं, विशेष रूप से वे जिनमें एक झुर्रियों वाली, असमान संरचना होती है?

शोधकर्ताओं की एक टीम ने टिन सेलेनाइड (tin selenide) नामक एक सामग्री का अध्ययन करके इस प्रश्न का उत्तर दिया है। यह पदार्थ टिन और सेलेनियम परमाणुओं की परतों से बना है जो एक मुड़ी हुई, उबड़-खाबड़ पैटर्न में व्यवस्थित हैं, जो पहले अध्ययन की गई सामग्रियों के सपाट षट्कोणों (hexagons) से काफी अलग है। वैज्ञानिकों ने यह देखना चाहा कि क्या वे चक्रीय ध्रुवीकृत प्रकाश (circularly polarized light)—वह प्रकाश जो यात्रा करते समय एक कॉर्कस्क्रू की तरह घूमता है—का उपयोग करके इलेक्ट्रॉनों को सामग्री के आंतरिक मानचित्र के एक तरफ धकेल सकते हैं और दूसरी तरफ को कम भीड़भाड़ वाला छोड़ सकते हैं। उन्होंने पाया कि वे ऐसा कर सकते थे। टिन सेलेनाइड के क्रिस्टल पर घूमने वाले प्रकाश का एक सटीक पल्स (pulse) दागकर, उन्होंने सफलतापूर्वक एक असंतुलन पैदा किया, जिससे उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों को क्रिस्टल के मोमेंटम स्पेस (momentum space) के एक विशिष्ट स्थान में दूसरे विपरीत स्थान की तुलना में अधिक संख्या में भरा गया। यह खोज सिद्ध करती है कि प्रकाश के स्पिन द्वारा इलेक्ट्रॉनों को नियंत्रित करने की क्षमता केवल पूर्ण, सपाट षट्कोणीय क्रिस्टल तक सीमित नहीं है, बल्कि यह एक अधिक सामान्य घटना है जो बहुत कम समरूपता (symmetry) वाली सामग्रियों में भी हो सकती है।

इस क्षणिक घटना को पकड़ने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक परिष्कृत सेटअप का उपयोग किया जो इलेक्ट्रॉनों के लिए एक हाई-स्पीड कैमरे की तरह कार्य करता है। उन्होंने टिन सेलेनाइड के एक ताजे स्लाइस पर इन्फ्रारेड प्रकाश का एक पल्स छोड़ा जो घड़ी की दिशा में या घड़ी की विपरीत दिशा में घूमता है। यह पल्स इलेक्ट्रॉनों को जगा देता है, उन्हें एक विश्राम अवस्था से उच्च ऊर्जा अवस्था में धकेल देता है। एक ट्रिलियनवें हिस्से के सेकंड के कुछ अंश बाद, उन्होंने इन उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों को सामग्री से बाहर निकालने के लिए अत्यधिक पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश का दूसरा पल्स छोड़ा ताकि उन्हें मापा जा सके। इन उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की दिशा और ऊर्जा का विश्लेषण करके, टीम ने ठीक से पुनर्निर्मित किया कि वे इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल के भीतर कहाँ बैठे थे जब उन्हें बाहर निकाला गया था। उन्होंने देखा कि जब प्रकाश एक दिशा में घूमा, तो इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल के ऊर्जा परिदृश्य (energy landscape) की एक घाटी में जमा हो गए, और जब प्रकाश विपरीत दिशा में घूमा, तो वे दूसरी ओर की दर्पण-प्रतिबिंब वाली घाटी में जमा हो गए। यह प्रभाव छोटा लेकिन स्पष्ट था, जिसमें दोनों पक्षों के बीच इलेक्ट्रॉनों की संख्या में लगभग पांच प्रतिशत का अंतर देखा गया, और प्रकाश के स्पिन को बदलने पर यह पूरी तरह से उलट गया।

शोधकर्ताओं ने यह भी ट्रैक किया कि यह असंतुलन कितने समय तक बना रहा। उन्होंने पाया कि इलेक्ट्रॉन लंबे समय तक व्यवस्थित नहीं रहे; लगभग 600 फेमटोसेकंड (फेमटोसेकंड, या एक सेकंड का 600 क्वैड्रिलियनवां हिस्सा) के भीतर, इलेक्ट्रॉन बिखरने लगे और वापस आपस में मिलने लगे, जिससे असंतुलन समाप्त हो गया। यह तीव्र क्षय इसलिए होता है क्योंकि उत्तेजित इलेक्ट्रॉन क्रिस्टल के कंपन करने वाले परमाणुओं से टकराते हैं, जिससे वे अपना अतिरिक्त मोमेंटम पदार्थ को ऊष्मा के रूप में स्थानांतरित कर देते हैं। इलेक्ट्रॉनों की गति और क्रिस्टल के कंपन के साथ उनकी अंतःक्रियाओं का मॉडल बनाने वाले विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के माध्यम से, टीम ने पुष्टि की कि यही स्कैटरिंग (scattering) प्रक्रिया इस असंतुलन के इतनी जल्दी गायब होने का कारण है। सिमुलेशन ने यह भी खुलासा किया कि इलेक्ट्रॉनों का यह अस्थायी वर्गीकरण क्रिस्टल की लंबाई के साथ बहने वाली एक क्षणिक, दिशात्मक विद्युत धारा (electric current) बनाता है। यह धारा दिशा बदल लेती है यदि प्रकाश घड़ी की दिशा में या घड़ी की विपरीत दिशा में घूमता है, जो सामग्री पर पड़ने वाले प्रकाश के स्पिन को बदलकर बिजली उत्पन्न करने का एक तरीका प्रदान करता है।

इस कार्य के सबसे महत्वपूर्ण पहलुओं में से एक यह स्पष्ट करना है कि टिन सेलिनाइड में यह प्रभाव पहले अध्ययन किए गए सपाट, षट्कोणीय सामग्रियों की तुलना में इतना मजबूत क्यों नहीं है। उन पूर्ण षट्कोणीय क्रिस्टल में, संरचना की समरूपता इलेक्ट्रॉनों के लगभग पूर्ण वर्गीकरण की अनुमति देती है, जहाँ लगभग सभी एक तरफ चले जाते हैं। झुर्रियों वाले टिन सेलिनाइड में, परमाणु व्यवस्था की कम समरूपता इस बात को सीमित करती है कि प्रकाश कितनी पूर्णता से इलेक्ट्रॉनों को छांट सकता है, जिससे यह प्रभाव एक निचले स्तर पर रुक जाता है। शोधकर्ताओं ने एक सरल गणितीय मॉडल का उपयोग करके दिखाया कि यह सीमा सामग्री की विशिष्ट परमाणु संरचना का सीधा परिणाम है। इस कम दक्षता के बावजूद, तथ्य यह है कि यह प्रभाव इतने अलग प्रकार के क्रिस्टल में मौजूद है, एक बड़ी प्रगति है। यह सुझाव देता है कि वैज्ञानिक अब उन सामग्रियों में समान प्रकाश-नियंत्रित व्यवहारों की तलाश कर सकते हैं जो बहुत अधिक विविध हैं, जिससे उन भविष्य की तकनीकों के लिए संभावनाएं बढ़ जाती हैं जो सूचना और बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करने के लिए प्रकाश के स्पिन का उपयोग करती हैं।

अध्ययन यह भी उजागर करता है कि ये सामग्रियां कैसे काम करती हैं, इसके बारे में एक सूक्ष्म लेकिन महत्वपूर्ण विवरण। जबकि टिन सेलिनाइड का मुख्य क्रिस्टल कुल मिलाकर सममित (symmetric) है, इसके व्यक्तिगत स्तर (layers) सममित नहीं हैं। प्रकाश ऊपरी परत के साथ इस तरह से क्रिया करता है जो इलेक्ट्रॉन असंतुलन पैदा करता है, लेकिन उसके ठीक नीचे वाली परत एक विपरीत असंतुलन पैदा करती है जो पूरे क्रिस्टल के दृष्टिकोण से इसे रद्द कर देती है। इसका अर्थ है कि यह प्रभाव सामग्री के भीतर गहराई में छिपा हुआ है, जो केवल सतह को देखने या शीर्ष परत के प्रति संवेदनशील तकनीकों का उपयोग करने पर ही दिखाई देता है। शोधकर्ता इस छिपे हुए व्यवहार को देख पाए क्योंकि उच्च-ऊर्जा वाला प्रकाश केवल कुछ परमाणु परतों तक ही प्रवेश कर सकता है, जिससे वे निचली परतों द्वारा सिग्नल के दब जाने के बिना विशिष्ट सतह गुणों का परीक्षण कर सकते हैं। व्यक्तिगत परतों के गुणों को देखने की यह क्षमता, एक सममित क्रिस्टल के भीतर छिपे हुए व्यवहारों को समझने के नए द्वार खोलती है।

अंततः, यह शोध यह प्रदर्शित करता है कि प्रकाश द्वारा इलेक्ट्रॉनों को छांटने के नियम पहले की तुलना में अधिक लचीले हैं। यह दिखाता है कि मधुमक्खी के छत्ते जैसी पूर्ण समरूपता वाली सामग्रियों के बिना भी, प्रकाश के स्पिन का उपयोग इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को विशिष्ट पथों में निर्देशित करने के लिए किया जा सकता है। यह खोज क्वांटम ज्यामिति की गहरी समझ प्रदान करती है जो इन अंतःक्रियाओं के मूल में है और यह सुझाव देती है कि वैलीट्रॉनिक्स (valleytronics) का क्षेत्र, जिसका लक्ष्य कंप्यूटिंग के लिए इन इलेक्ट्रॉन समूहों का उपयोग करना है, व्यापक श्रेणी की सामग्रियों पर लागू किया जा सकता है। यह कार्य सटीक प्रयोगात्मक माप और कठोर कंप्यूटर मॉडलिंग को जोड़कर एक पूर्ण चित्र प्रस्तुत करता है कि ये इलेक्ट्रॉन कैसे व्यवहार करते हैं, प्रकाश से टकराने के क्षण से लेकर उनके वापस शांत होने तक। झुर्रियों वाले, कम-समरूपता वाले क्रिस्टल में इन प्रभावों की उपस्थिति की पुष्टि करके, शोधकर्ताओं ने उन नए इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को डिजाइन करने के लिए उपलब्ध टूलकिट का विस्तार किया है जो प्रकाश और पदार्थ के मौलिक गुणों पर निर्भर करते हैं।