Emergent higher-order optical nonlinearity in self-assembled polar supertextures
यह अध्ययन स्व-व्यवस्थित पोलर स्काईर्मियन्स (polar skyrmions) और सुपरलैटिस में विशाल, अत्यंत तीव्र उच्च-क्रम ऑप्टिकल नॉनलिनैरिटी (higher-order optical nonlinearity) की खोज की रिपोर्ट करता है, जो बिना किसी फोटोनिक इंजीनियरिंग के 'एप्सिलॉन-नियर-जीरो' (epsilon-near-zero) स्थितियों को संतुष्ट करने वाले आंतरिक स्थानीय पारगम्यता मॉड्यूलेशन द्वारा संचालित है, जिससे अगली पीढ़ी की क्वांटम सूचना और उच्च-गति ऑप्टिकल संचार प्रौद्योगिकियों के लिए एक आशाजनक मंच प्राप्त होता है।
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प्रकाश लंबे समय से केवल देखने का एक साधन मात्र नहीं रहा है; यह दुनिया को आकार देने वाला एक उपकरण है। लेजर के आविष्कार के बाद से, वैज्ञानिकों ने प्रकाश का उपयोग न केवल रोशनी करने के लिए, बल्कि पदार्थों को नियंत्रित करने और उनकी विशेषताओं को पलक झपकते ही बदलने के लिए करना सीख लिया है। यह क्षेत्र, जिसे 'नॉनलीनर ऑप्टिक्स' (nonlinear optics) कहा जाता है, इस तथ्य पर निर्भर करता है कि जब प्रकाश पर्याप्त तीव्र होता है, तो यह पदार्थ के साथ जटिल तरीकों से परस्पर क्रिया कर सकता है, जिससे नए रंग उत्पन्न होते हैं या सिग्नल को चालू या बंद किया जा सकता है। हालाँकि, भविष्य की तकनीकों जैसे कि अल्ट्राफास्ट कंप्यूटिंग या सुरक्षित संचार में इन अंतःक्रियाओं को वास्तव में उपयोगी बनाने के लिए, उपयोग किए जाने वाले पदार्थों को प्रकाश के प्रति तेजी से और मजबूती से प्रतिक्रिया देने में सक्षम होना चाहिए, विशेष रूपकर उन प्रभावों के प्रति जो सबसे बुनियादी अंतःक्रियाओं से परे जाते हैं। ऐसे सामग्रयों को खोजना जो बिना किसी कृत्रिम जटिल पैटर्न में इंजीनियर किए, स्वाभाविक रूप से ऐसा कर सकें, एक कठिन चुनौती रही है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक विशेष प्रकार की सामग्री का उपयोग करके इसे प्राप्त करने का एक तरीका खोज निकाला है जो स्वयं को व्यवस्थित करती है। उन्होंने दो अलग-अलग प्रकार के क्रिस्टल, लेड टाइटेनेट (lead titanate) और स्ट्रोंटियम टाइटेनेट (strontium titanate) की एक परतदार संरचना के साथ काम किया, जो परमाणु स्तर पर एक दूसरे के ऊपर रखे गए हैं। इस विशिष्ट व्यवस्था में, सामग्री के भीतर विद्युत आवेश सरल, एकसमान तरीके से संरेखित नहीं होते हैं। इसके बजाय, वे छोटे, त्रि-आयामी भंवरों में घूमते हैं जिन्हें 'पोलर स्कायर्मियन' (polar skyrmions) कहा जाता है। ये स्थिर नहीं हैं; ये गतिशील बनावट हैं जहाँ विद्युत ध्रुवीकरण (electric polarization) की दिशा एक छोटे भंवर के केंद्र से उसके किनारे तक सुचारू रूप से घूमती है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि यदि वे इन घूमते हुए ढांचों पर मिड-इन्फ्रारेड प्रकाश का एक पल्स (धड़कन) मारते हैं, तो क्या होगा, जो कि एक प्रकार का विकिरण है जो उस गर्मी के बीच स्थित है जिसे हम महसूस करते हैं और उस प्रकाश के बीच जिसे हम देखते हैं।
जब टीम ने इस सामग्री पर मिड-इन्फ्रारेड पल्स दागी, तो कुछ अद्भुत हुआ। प्रकाश ने आने वाले पल्स के ठीक आधे तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर नए प्रकाश का एक विशाल, तात्कालिक विस्फोट किया। यह प्रक्रिया, जिसे 'सेकंड-हारमोनिक जनरेशन' (second-harmonic generation) कहा जाता है, यह मापने का एक मानक तरीका है कि कोई सामग्री प्रकाश के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है। सामान्य परिस्थितियों में, घूमते हुए स्कायर्मियन बहुत कमजोर सिग्नल उत्पन्न करते हैं क्योंकि घूमते हुए पैटर्न एक-दूसरे को रद्द कर देते हैं। लेकिन जब मिड-इफ्रारेड पल्स आया, तो सिग्नल बीस गुना बढ़ गया। यह कोई धीमी प्रक्रिया नहीं थी; यह प्रकाश के पल्स के समान ही तेज हुई, जो केवल कुछ सौ फेम्टोसेकंड (femtoseconds) तक चली, जो कि एक क्वाड्रिलियनवां सेकंड का एक छोटा हिस्सा है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस नए प्रकाश की शक्ति केवल आने वाले पल्स की शक्ति के अनुपात में नहीं बढ़ी। इसके बजाय, यह बहुत तेजी से बढ़ी, जो एक पैटर्न का पालन करती है जो इस बात का संकेत देता है कि सामग्री की प्रतिक्रिया में बहुत उच्च स्तर की जटिलता है।
यह समझने के लिए कि यह क्यों हो रहा था, टीम ने बारीकी से देखा कि जैसे-जैसे उन्होंने आने वाले प्रकाश की शक्ति बढ़ाई, सिग्नल कैसे बदला। उन्होंने पाया कि प्रतिक्रिया उन सरल, सामान्य अंतःक्रियाओं द्वारा संचालित नहीं थी जो अधिकांश सामग्रियों में देखी जाती हैं। एक मानक क्रिस्टल में, प्रकाश की प्रतिक्रिया आमतौर पर एक अनुमानित द्विघातीय (quadratic) तरीके से बढ़ती है। यहाँ, सिग्नल इस तरह से बढ़ा जिससे पता चला कि सामग्री प्रकाश की शक्ति के चौथे घात (fourth power) के प्रति प्रतिक्रिया कर रही थी। इसका अर्थ है कि सामग्री ऊर्जा विनिमय के बहुत अधिक जटिल नृत्य में शामिल थी, जैसा कि इतनी छोटी जगह में पहले कभी अपेक्षित नहीं था। शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि सिग्नल आने वाले प्रकाश पल्स के साथ तालमेल बिठाकर दोलन (oscillate) या डगमगाया, लेकिन यह डगमगाहट एक क्यूबिक (cubic) पैटर्न का पालन करती थी, जो प्रकाश की शक्ति के तीसरे घात के साथ बढ़ती है। इन विशिष्ट गणितीय संबंधों ने सरल स्पष्टीकरणों, जैसे कि प्रकाश केवल सामग्री को गर्म कर रहा है या उसकी संरचना में धीमा बदलाव ला रहा है, को खारिज कर दिया।
टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह देखने के लिए किया कि उन क्षणभंगुर क्षणों के दौरान सामग्री के भीतर क्या हो रहा है। मॉडलों ने दिखाया कि मिड-इफ्रारेड पल्स ने स्कायर्मियन्स के भीतर विद्युत आवेशों को तेजी से दोलन करने के लिए प्रेरित किया। महत्वपूर्ण रूप से, सामग्री की विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करने की क्षमता, जिसे 'परमिटिविटी' (permittivity) कहा जाता है, एकसमान नहीं थी। घूमते हुए टेक्सचर के भीतर, यह गुण स्थान-दर-स्थान बहुत भिन्न होता था, जिसमें कुछ क्षेत्रों में सकारात्मक मान थे और अन्य में नकारात्मक मान थे। इसने एक प्राकृतिक, स्व-व्यवस्थित परिदृश्य बनाया जो कुछ हद तक एक मानव निर्मित मेटामटेरियल (metamaterial) की तरह कार्य करता था, लेकिन एक ऐसा मेटामटेरियल जो बिना किसी बाहरी इंजीनियरिंग के स्वयं बना था। इस आंतरिक संरचना ने यह सुनिश्चित किया कि प्रकाश का विद्युत क्षेत्र कुछ स्थानों पर अविश्वसनीय रूप से शक्तिशाली हो जाए, जिससे नॉनलीनियर प्रतिक्रिया को बढ़ावा मिला। सिमुलेशन ने पुष्टि की कि यह प्रभाव आवेशों की तीव्र गति और सामग्री की आंतरिक संरचना के प्रति क्षेत्र की अनूठी प्रतिक्रिया द्वारा संचालित था, न कि किसी धीमी, ताप-संचालित प्रक्रिया द्वारा।
शोधकर्ताओं ने समान सामग्रियों में अन्य प्रकार के घूमते हुए पैटर्न का भी परीक्षण किया, जिसमें विभिन्न भंवर और पट्टी जैसे (stripe-like) विन्यास शामिल थे। उन्होंने पाया कि इन अन्य बनावटों ने भी मजबूत नॉनलीनर प्रतिक्रिया दिखाई, हालांकि विकास के विशिष्ट पैटर्न थोड़े भिन्न थे। इससे पता चलता है कि शक्तिशाली, अल्ट्राफास्ट सिग्नल उत्पन्न करने की क्षमता इन स्व-व्यवस्थित पोलर टेक्सचर की एक सामान्य विशेषता है, न कि केवल स्कायर्मियन के आकार का कोई संयोग। मुख्य कारक सामग्री के आंतरिक विद्युत गुणों में आवधिक भिन्नता है, जो प्रकाश-पदार्थ अंतःक्रियाओं को बढ़ाने के लिए एक प्राकृतिक वातावरण बनाता है।
यह खोज ऑप्टिकल उपकरणों के निर्माण के लिए एक नए तरीके की ओर संकेत करती है। सामग्रियों में लेजर या नक्काशी उपकरणों के साथ जटिल पैटर्न बनाने की कोशिश करने के बजाय, वैज्ञानिक उन सामग्रियों का उपयोग कर सकते हैं जो उपयोगी संरचनाओं में स्वयं को व्यवस्थित करती हैं। स्कायर्मियन-आधारित सामग्री कमरे के तापमान पर संचालित हुई और एक पिकोसेकंड से भी कम समय में प्रतिक्रिया दी, जिससे यह भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बन गई। शोधकर्ताओं का सुझाव है कि ये निष्कर्ष तेज़ ऑप्टिकल स्विच, ऐसे उपकरण जो अदृश्य टेराहर्ट्ज़ संकेतों को दृश्य प्रकाश में परिवर्तित करते हैं, और क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए नए प्लेटफॉर्म बनाने में मदद कर सकते हैं। इन स्व-व्यवस्थित बनावटों के अंतर्निहित गुणों का लाभ उठाकर, उच्च गति वाली अगली पीढ़ी की ऑप्टिकल तकनीकों को शक्तिशाली और कुशल बनाया जा सकता है।
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