Intensity-driven Mott-like transition in a 2D Ruddlesden-Popper perovskite

प्रकाश को आमतौर पर ऊर्जा की एक स्थिर धारा के रूप में देखा जाता है, लेकिन जब इसे अविश्वसनीय रूप से संक्षिप्त, तीव्र विस्फोटों में केंद्रित किया जाता है, तो यह आश्चर्यजनक तरीकों से व्यवहार करने लगता है। पदार्थ विज्ञान (materials science) की दुनिया में, शोधकर्ता लगातार ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो इस बात पर निर्भर करते हुए कि प्रकाश कितना चमकीला है, प्रकाश के साथ अपने व्यवहार को बदल सकें। यह गुण अगली पीढ़ी के ऑप्टिकल कंप्यूटर और सेंसर बनाने के लिए महत्वपूर्ण है, जहाँ सूचना बिजली के बजाय प्रकाश द्वारा ले जाई जाती है। इसे समझने के लिए, कल्पना कीजिए कि एक ऐसा पदार्थ जो प्रकाश की किरण मंद होने पर एक स्पंज की तरह काम करता है, उसे सोख लेता है, लेकिन जैसे ही किरण बहुत अधिक चमकीली होती है, वह अचानक एक दर्पण या अवरोधक बन जाता है। यह स्विच केवल आयतन का परिवर्तन नहीं है; यह स्वयं पदार्थ की अवस्था में एक मौलिक बदलाव है, जो प्रकाश के प्रहार से उत्पन्न अत्यधिक बल द्वारा संचालित होता है। इस व्यवहार को अनलॉक करने की कुंजी अक्सर इस बात में निहित होती है कि इलेक्ट्रॉन, जो परमाणुओं के भीतर सूक्ष्म आवेशित कण होते हैं, दबाव में कैसे एक साथ बंधते हैं या अलग होते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने हाल ही में एक विशिष्ट प्रकार के क्रिस्टल में इस घटना का अन्वेषण किया है जिसे टू-डायमेंशनल पेरोव्स्काइट (two-dimensional perovskite) कहा जाता है। ये सामग्रियां एक सैंडविच की तरह बनाई जाती हैं, जिसमें कार्बनिक अणुओं द्वारा अलग की गई अकार्बनिक परमाणुओं की परतें होती हैं। यह संरचना इलेक्ट्रॉनों को इस तरह से कैद करती है कि वे प्रकाश के प्रति बहुत संवेदनशील हो जाते हैं। वैज्ञानिकों ने लेड (सीसा), आयोडीन और ब्यूटिलअमोनियम से बने एक यौगिक पर ध्यान केंद्रित किया, जो पतली, सपाट चादरें बनाता है। वे यह देखना चाहते थे कि यदि वे इस सामग्री पर एक विशिष्ट रंग की इन्फ्रारेड रोशनी मारते हैं, तो क्या होगा, जो मानव आंखों के लिए अदृश्य है लेकिन इसमें इतनी ऊर्जा है कि जब दो फोटॉन, या प्रकाश के दो पैकेट, एक ही समय में सामग्री से टकराते हैं, तो यह एक प्रतिक्रिया को ट्रिगर कर सके। लेजर पल्स की तीव्रता को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, उन्होंने पाया कि एक नाटकीय टिपिंग पॉइंट (tipping point) था जहाँ सामग्री का व्यवहार पूरी तरह से बदल गया।

प्रयोग एक कांच की स्लाइड पर रखे इस क्रिस्टल की एक बहुत पतली फिल्म (केवल एक मिलीमीटर के अंश के बराबर) के साथ शुरू हुआ। शोधकर्ताओं ने इस पर एक लेजर बीम चलाई, जिसे 1030 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर ट्यून किया गया था। इस विशिष्ट रंग को इसलिए चुना गया था क्योंकि यह क्रिस्टल के इलेक्ट्रॉनों की प्राकृतिक ऊर्जा अवस्था के साथ प्रतिध्वनित होता है, लेकिन केवल तभी जब दो इलेक्ट्रॉन अपनी ऊर्जा को संयोजित करते हैं। जैसे-जैसे उन्होंने लेजर की चमक को धीरे-धीरे बढ़ाया, उन्होंने नमूने से गुजरने वाले प्रकाश की मात्रा को देखा। कम तीव्रता पर, सामग्री उसी तरह व्यवहार करती है जैसा कि इस तरह के क्रिस्टल के लिए अपेक्षित है: जैसे-जैसे प्रकाश उज्ज्वल होता है, यह अधिक पारदर्शी हो जाता है। इसे सैचुरेबल एब्जॉर्प्शन (saturable absorption) कहा जाता है, जहाँ प्रकाश को रोकने की सामग्री की क्षमता समाप्त हो जाती है, जिससे अधिक प्रकाश गुजर पाता है। हालाँकि, जैसे ही लेजर की तीव्रता लगभग 90 गीगावाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर के महत्वपूर्ण दहलीज (threshold) को पार कर गई, व्यवहार उल्टा हो गया। अचानक, जैसे-जैसे बीम चमकीली होती गई, सामग्री अधिक प्रकाश को रोकने लगी, जिसे रिवर्स सैचुरेबल एब्जॉर्प्शन (reverse saturable absorption) नामक घटना कहा जाता है।

यह स्विच एक क्रमिक धुंधलापन नहीं बल्कि एक तीव्र संक्रमण था, जो यह सुझाव देता है कि सामग्री की आंतरिक अवस्था मौलिक रूप से बदल गई थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि कम प्रकाश स्तरों पर, इलेक्ट्रॉन 'एक्सिटोन' (excitons) नामक जोड़ों में मजबूती से बंधे होते हैं, जो एकल इकाइयों की तरह कार्य करते हैं जिन्हें आसानी से संतृप्त किया जा सकता है। लेकिन एक बार जब प्रकाश की तीव्रता उस महत्वपूर्ण सीमा को पार कर गई, तो उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों की भारी संख्या ने एक भीड़भाड़ वाला वातावरण बना दिया जहाँ वे एक-दूसरे को धकेलने लगे। वे विद्युत बल जो आमतौर पर उन्हें एक साथ थामे रखते हैं, भीड़ के कारण कमजोर पड़ गए, जिससे जोड़े टूटकर इलेक्ट्रॉनों और होल्स (holes) के एक घने, मुक्त-प्रवाह वाले सूप में बदल गए। बंधे हुए जोड़ों की अवस्था से मुक्त प्लाज्मा की ओर इस बदलाव को मॉट ट्रांजिशन (Mott transition) के रूप में जाना जाता है, एक ऐसी अवधारणा जो आमतौर पर चरम स्थितियों से जुड़ी होती है, लेकिन यहाँ इसे केवल लेजर की चमक बढ़ाकर ट्रिगर किया गया था।

यह पुष्टि करने के लिए कि यह वास्तव में पदार्थ की अवस्था में परिवर्तन था न कि केवल एक हीटिंग प्रभाव, टीम ने इस बात को देखा कि सामग्री गुजरने वाले प्रकाश को कैसे मोड़ती है। कम तीव्रता पर, क्रिस्टल एक लेंस की तरह कार्य करता था जो प्रकाश को फैला देता था, जिसे सेल्फ-डेफोकसिंग (self-defocusing) कहा जाता है। एक बार जब तीव्रता ने महत्वपूर्ण बिंदु को पार कर लिया, तो लेंस उल्टा हो गया, और सामग्री प्रकाश को अंदर की ओर केंद्रित करने लगी, या सेल्फ-फोकस (self-focus)। सामग्री द्वारा प्रकाश को मोड़ने के तरीके में यह उलटाव इस बात का पुख्ता प्रमाण था कि इलेक्ट्रॉन वास्तव में एक बंधे हुए रूप से मुक्त प्लाज्मा में बदल गए थे। शोधकर्ताओं ने यह भी मापा कि ये उत्तेजित कण कितने समय तक टिकते हैं। महत्वपूर्ण तीव्रता से नीचे, कण तेजी से पुनर्संयोजित (recombine) होते थे, जो बंधे हुए जोड़ों की विशिष्ट विशेषता है। सीमा से ऊपर, वे सैकड़ों पिकोसेकंड तक टिके रहे, जो एक घने प्लाज्मा में मुक्त वाहकों (free carriers) का संकेत है, जो आसानी से पुनर्संयोजन के लिए एक-दूसरे को खोजने में असमर्थ होते हैं।

निष्कर्ष बताते हैं कि यह विशिष्ट क्रिस्टल 'प्रकाश से प्रकाश को नियंत्रित करने' के लिए एक असाधारण रूप से मजबूत उम्मीदवार है। इस सामग्री ने एक टू-फोटॉन एब्जॉर्प्शन गुणांक दिखाया जो ग्रेफीन सहित कई ज्ञात सामग्रियों की तुलना में काफी अधिक था। इसका अर्थ है कि यह बहुत पतली या निर्माण में कठिन हुए बिना प्रकाश के साथ बहुत कुशलता से परस्पर क्रिया कर सकती है। बीम की तीव्रता बदलकर प्रकाश को जाने देने और उसे रोकने के बीच, या प्रकाश को फैलाने और केंद्रित करने के बीच स्विच करने की क्षमता, नए प्रकार के ऑप्टिकल स्विचों के द्वार खोलती है। ये उपकरण पूरी तरह से प्रकाश के साथ संचालित हो सकते हैं, जो संभावित रूप से ऐसे तेज़ और अधिक कुशल कंप्यूटिंग सिस्टम की ओर ले जा सकते हैं जो तारों के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की गर्मी पैदा करने वाली गति पर निर्भर नहीं करते हैं। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि लेजर की चमक को ट्यून करके, आप एक पदार्थ को चरण संक्रमण (phase transition) के माध्यम से ले जा सकते हैं, जिससे एक ठोस क्रिस्टल को एक सेकंड के अंश में एक गतिशील, प्रकाश-नियंत्रित प्लाज्मा में बदला जा सकता है।