Observation of light-induced topological state in graphene

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ बिजली के नियम स्थिर नहीं हैं, बल्कि प्रकाश की एक चमक से उन्हें फिर से लिखा जा सकता है। क्वांटम सामग्रियों के क्षेत्र में, वैज्ञानिकों ने लंबे समय से यह सिद्धांत दिया है कि किसी सामग्री पर एक विशिष्ट प्रकार का प्रकाश डालने से उसकी आंतरिक संरचना मौलिक रूप से बदली जा सकती है, जिससे इलेक्ट्रॉन उन तरीकों से व्यवहार करने के लिए मजबूर हो जाते हैं जो वे अंधेरे में कभी नहीं करते। 'फ्लोकेट इंजीनियरिंग' (Floquet engineering) के रूप में जानी जाने वाली यह अवधारणा बताती है कि एक लयबद्ध, दोलनकारी बल—जैसे कि लेजर पल्स—एक ठोस के ऊर्जा परिदृश्य को नया आकार दे सकता है। यदि यह सफल होता है, तो यह एक सामान्य सुचालक को एक 'टोपोलॉजिकल इंसुलेटर' (topological insulator) में बदल सकता है, जो पदार्थ की एक विशेष अवस्था है जहाँ बिजली बिना किसी प्रतिरोध के किनारों पर बहती है जबकि आंतरिक भाग एक कुचालक बना रहता है। इस क्षेत्र में अंतिम लक्ष्य ग्राफीन में इस अवस्था को प्राप्त करना है, जो कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत है जो मधुमक्खी के छत्ते जैसी जाली (honeycomb lattice) में व्यवस्थित होती है। ग्राफीन अपनी गति और मजबूती के लिए प्रसिद्ध है, लेकिन यह एक अर्धधातु (semimetal) भी है, जिसका अर्थ है कि इसमें वह ऊर्जा अंतराल (energy gap) नहीं है जो आमतौर पर चालकीय इलेक्ट्रॉनों को कुचालक वाले इलेक्ट्रॉनों से अलग करता है। सैद्धांतिक भौतिकविदों ने भविष्यवाणी की थी कि यदि ग्राफीन पर गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश (circularly polarized light)—वह प्रकाश जो यात्रा करते समय कॉर्कस्क्रू की तरह घूमता है—दबाया जाए, तो यह समय की समरूपता (symmetry of time) को तोड़ देगा और इलेक्ट्रॉनों को एक अंतराल बनाने के लिए मजबूर करेगा, जिससे एक टोपोलॉजिकल अवस्था उत्पन्न होगी। वर्षों तक, यह एक लुभावनी भविष्यवाणी बनी रही, जिसे सिद्ध करना कठिन था क्योंकि ये परिवर्तन अविश्वसनीय रूप से तेजी से होते हैं और सामग्री के भीतर इलेक्ट्रॉनों के अराजक टकरावों से आसानी से मिट जाते हैं।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस प्रकाश-प्रेरित परिवर्तन के प्रत्यक्ष प्रमाण को पकड़ लिया है। एक शक्तिशाली, अत्यंत तीव्र (ultrafast) लेजर को इलेक्ट्रॉनों की गति को देखने में सक्षम एक परिष्कृत कैमरे के साथ जोड़कर, उन्होंने ग्राफीन में उभरती हुई एक टोपोलॉजिकल अवस्था के विशिष्ट निशान (fingerprint) को देखा। इस प्रयोग में सिलिकॉन कार्बाइड की सतह पर रखी ग्राफीन की एक एकल परत पर एक विशिष्ट गोलाकार ध्रुवीकरण वाला इन्फ्रारेड प्रकाश का पल्स दागा गया। यह 'पंप पल्स' प्रेरक बल के रूप में कार्य करता था, जो सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक नियमों को फिर से लिखने का प्रयास करता था। यह देखने के लिए कि क्या हुआ, शोधकर्ताओं ने एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट प्रकाश के दूसरे पल्स का उपयोग किया ताकि इलेक्ट्रॉनों को ग्राफीन से बाहर निकाला जा सके और उनकी ऊर्जा और संवेग (momentum) को मापा जा सके। यह तकनीक, जो 'टाइम-रिज़ॉल्व्ड फोटोइमिशन स्पेक्ट्रोस्कोपी' (time-resolved photoemission spectroscopy) का एक रूप है, उन्हें इलेक्ट्रॉनों के व्यवहार का एक स्नैपशॉट लेने की अनुमति देती है जब प्रकाश उनके साथ परस्पर क्रिया कर रहा होता है। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने केवल ऊर्जा स्तरों में अंतराल की तलाश नहीं की; उन्होंने एक अधिक सूक्ष्म संकेत की तलाश की: जिस तरह से इलेक्ट्रॉनों का आंतरिक "स्पिन" या अभिविन्यास (orientation) घूमते हुए प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया करता है।

परिणामों ने दिखाया कि गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश ने वास्तव में इलेक्ट्रॉन तरंग कार्यों (wavefunctions) की ज्यामिति में परिवर्तन प्रेरित किया। जब शोधकर्ताओं ने घड़ी की दिशा में घूमने वाले बनाम घड़ी की विपरीत दिशा में घूमने वाले प्रकाश के डेटा की तुलना की, तो उन्होंने ग्राफीन के ऊर्जा बैंड जहाँ मिलते हैं, उस बिंदु के पास एक स्पष्ट प्रतिवर्तन (reversal) पाया। यह प्रतिवर्तन, जिसे 'डाइक्रोइज़्म' (dichroism) कहा जाता है, एक प्रकाश-प्रेरित "स्यूडोस्पिन" (pseudospin) का प्रत्यक्ष माप है, जो एक गुण है जो बताता है कि इलेक्ट्रॉन ग्राफीन जाली के दो प्रकार के परमाणु स्थलों के बीच कैसे वितरित होते हैं। अंधेरे में, ये स्थल संतुलित होते हैं, लेकिन घूमते हुए प्रकाश ने संतुलन को झुका दिया, जिससे एक असंतुलन पैदा हुआ जो टोपोलॉजिकल मॉडल की भविष्यवाणियों से मेल खाता था। शोधकर्ताओं ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन के साथ अपने मापों की तुलना करके इसकी पुष्टि की, जिसमें प्रकाश और सामग्री के बीच जटिल अंतःक्रियाओं को ध्यान में रखा गया था। सिमुलेशन ने दिखाया कि प्रकाश ने इलेक्ट्रॉनों के लिए एक द्रव्यमान (mass) बनाया, जिससे प्रभावी रूप से एक अंतराल खुला और उनके पथ में एक वक्रता (curvature) उत्पन्न हुई जो एक टोपोलॉजिकल इंसुलेटर की विशेषता है।

जो इस खोज को विशेष रूप से मजबूत बनाता है, वह यह है कि यह संकेत तब भी बना रहा जब ग्राफीन में इलेक्ट्रॉन ज्ञात रूप से बिखरते हैं और बहुत जल्दी ऊर्जा खो देते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि टोपोलॉजिकल अवस्था का हस्ताक्षर केवल एक क्षणिक झपकी नहीं थी जो पहले टकराव के साथ गायब हो जाती है, बल्कि एक मापने योग्य विशेषता थी जिसे अन्य प्रभावों से अलग किया जा सकता था। प्रकाश के घूमने की दिशा के साथ बदलने वाली विशिष्ट प्रतिक्रिया को अलग करके, वे बैकग्राउंड शोर और सामग्री के स्थिर गुणों को फ़िल्टर करने में सक्षम थे। इस दृष्टिकोण ने उन्हें "बेरी कर्वेचर" (Berry curvature) को देखने की अनुमति दी, जो इलेक्ट्रॉन के पथ का एक ज्यामितीय गुण है जो एक टोपोलॉजिकल चरण की पहचान है। तथ्य यह है कि इस वक्रता को अप्रत्यक्ष विद्युत धाराओं से अनुमान लगाने के बजाय सीधे मापा जा सकता था, यह सामग्री के भीतर क्या हो रहा है, इसकी बहुत स्पष्ट तस्वीर प्रदान करता है।

यह कार्य दशकों पुरानी सैद्धांतिक भविष्यवाणी की पुष्टि करता है और प्रदर्शित करता है कि प्रकाश का उपयोग फेम्टोसेकंड्स—जो एक सेकंड का एक क्वाड्रिलियनवाँ हिस्सा है—के टाइमस्केल पर सामग्रियों को विभिन्न क्वांटम अवस्थाओं के बीच स्विच करने के लिए किया जा सकता है। प्रकाश के साथ किसी सामग्री की टोपोलॉजी को नियंत्रित करने की क्षमता उन नए प्रकार के इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के द्वार खोलती है जो अभूतपूर्व गति से संचालित हो सकते हैं। स्थिर सामग्रियों पर निर्भर रहने के बजाय जिनके गुण निश्चित होते हैं, इंजीनियर भविष्य में ऐसे सिस्टम डिजाइन कर सकते हैं जहाँ बिजली के प्रवाह को लेजर पल्स द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है, जिससे टोपोलॉजिकल गुणों को इच्छानुसार चालू या बंद किया जा सके। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि ग्राफीन जैसी अराजक और तीव्र गति वाली सामग्री में भी, क्वांटम अवस्थाओं की नाजुक ज्यामिति को इंजीनियर और देखा जा सकता है, बशर्ते सही उपकरणों का उपयोग परिवर्तन के क्षण को पकड़ने के लिए किया जाए।