Graphene random spaser

नन्हा प्रकाश शो: अराजकता से व्यवस्था तक

कल्पना कीजिए कि आप एक विशाल कॉन्सर्ट हॉल की आवाज़ को एक छोटे से ईयरबड में फिट करने की कोशिश कर रहे हैं। वैज्ञानिकों के सामने भी यही चुनौती है जब वे प्रकाश को बाल से भी छोटे स्थानों में सिकोड़ने की कोशिश करते हैं। सामान्यतः, प्रकाश एक जिद्दी लहर की तरह व्यवहार करता है जो एक विशिष्ट आकार से छोटा होने से इनकार कर देता है, जिसे "डिफ़्रैक्शन लिमिट" (विवर्तन सीमा) के रूप में जाना जाता है। लेकिन नैनोटेक्नोलॉजी की दुनिया में, शोधकर्ताओं ने "सरफेस प्लास्मोंस" नामक चीज़ का उपयोग करके एक चतुर समाधान खोजा है। इन्हें ऊर्जा की उन लहरों के रूप में समझें जो किसी पदार्थ की सतह पर चलती हैं, और उसे इतनी मजबूती से पकड़ लेती हैं कि वे उन स्थानों में भी समा सकती हैं जहाँ सामान्य प्रकाश कभी नहीं पहुँच सकता।

हालाँकि, इसमें एक पेच है। ये लहरें ट्रैम्पोलिन पर दौड़ते ऊर्जावान बच्चों की तरह हैं; वे घर्षण (या इस मामले में, विद्युत प्रतिरोध) के कारण बहुत जल्दी अपनी ऊर्जा खो देती हैं, जिससे वे बहुत दूर जाने से पहले ही समाप्त हो जाती हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिकों ने "स्पैसर" (spaser) का आविष्कार किया, जो एक उपकरण है जो इन नन्ही सतह की लहरों के लिए लेज़र की तरह काम करता है (प्रकाश की किरणों के बजाय)। यह इन लहरों को जीवित रखने और उन्हें चमकाने के लिए एक विशेष "गेन" (gain) सामग्री का उपयोग करके उनमें ऊर्जा पंप करता है। लेकिन क्या होगा यदि आप एक व्यवस्थित, संगठित लेज़र बीम नहीं चाहते? क्या होगा यदि आप ऊर्जा का एक अराजक, अत्यंत सघन विस्फोट चाहते जो एक ही नन्हे स्थान में कैद रहे? यहीं पर "रैंडमनेस" (यादृच्छिकता) का विचार आता है। प्रकाश को कैद करने के लिए एक आदर्श दर्पण बॉक्स बनाने के बजाय, आप ऊर्जा को गलती से ही सही, लेकिन एक अव्यवस्थपूर्ण सतह का उपयोग करके एक जगह फंसा सकते हैं, जिससे एक "रैंडम लेज़र" बनता है। यह शोध पत्र ग्राफीन नामक एक जादुई सामग्री का उपयोग करके इस विचार के एक नए, अति-कॉम्पैक्ट संस्करण की खोज करता है।

शोध का बड़ा विचार: ग्राफीन पर एक अराजक नृत्य

इस शोध में, टीम एक नए प्रकार के उपकरण का प्रस्ताव करती है जिसे "रैंडम स्पैसर" कहा जाता है। जहाँ पारंपरिक स्पैसर सटीक और संगठित कारखानों की तरह बनाए जाते हैं, वहीं यह नया डिज़ाइन एक अराजक डांस फ्लोर की तरह है। वैज्ञानिकों ने एक एकल परत वाले ग्राफीन (कार्बन परमाणुओं से बना एक पदार्थ जो केवल एक परमाणु मोटा है) का उपयोग करके एक संरचना बनाई है, जिसे सिलिकॉन और सिलिका से बनी एक ऊबड़-खाबड़, यादृच्छिक सतह के ऊपर रखा गया है।

ग्राफीन की परत को ऊर्जा तरंगों के लिए एक चिकने, सुपर-फास्ट हाईवे के रूप में समझें। नीचे की ऊबड़-खाबड़ सिलिकॉन-सिलिका सतह अनगिनत रैंडम स्पीड ब्रेकर और गड्ढों की एक श्रृंखला की तरह कार्य करती है। जब ऊर्जा तरंगें (जिन्हें सरफेस प्लास्मोंस कहा जाता है) ग्राफीन के साथ यात्रा करने की कोशिश करती हैं, तो ये रैंडम उभार उन्हें बेतरतीब ढंग से इधर-उधर उछाल देते हैं। एक सीधी रेखा में चलने और फीके पड़ने के बजाय, लहरें हाईवे के साथ छोटे-छोटे, यादृच्छिक पॉकेटों में फंस जाती हैं। इस घटना को "एंडरसन लोकलाइजेशन" (Anderson localization) कहा जाता है, जो एक जटिल शब्द है जिसका अर्थ है कि सड़क की अव्यवस्था वास्तव में यातायात को आगे बढ़ने से रोक देती है, जिससे वह एक ही स्थान पर रुक जाता है।

इन फंसी हुई लहरों को खत्म होने से बचाने के लिए, टीम ने ग्राफीन के ऊपर एक "गेन मीडियम" जोड़ा है। यह एक क्वांटम कैस्केड वेल है, जो एक उच्च-ऊर्जा बैटरी की तरह कार्य करता है। जब आप इस बैटरी में ऊर्जा पंप करते हैं, तो यह प्रकाश की किरण नहीं छोड़ता; बल्कि, यह गुप्त रूप से सीधे ग्राफीन की परत पर फंसी लहरों में ऊर्जा फीड करता है। यह अराजक, फंसी हुई लहरों को सतह-बद्ध ऊर्जा के एक अत्यंत चमकीले और सुसंगत स्रोत में बदल देता है।

उन्होंने क्या पाया: अराजकता लेज़र बन गई

शोधकर्ताओं ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन चलाए ताकि यह देखा जा सके कि यह अव्यवस्थित प्रणाली कैसे व्यवहार करेगी। उन्होंने अपने डिज़ाइन के एक पूर्णतः व्यवस्थित संस्करण से शुरुआत की, जहाँ सभी उभार एक ही आकार के थे। इस व्यवस्थित संस्करण में, ऊर्जा तरंगें या तो गुजर जाती थीं या अवरुद्ध हो जाती थीं, जिससे एक अनुमानित पैटर्न बनता था। लेकिन जब उन्होंने यादृच्छिकता (randomness) पेश की—यानी उभारों को थोड़े अलग आकार के बनाया, जिसमें 20% का डिसऑर्डर फैक्टर था—तो परिणाम नाटकीय रूप से बदल गए।

रैंडम संस्करण में, सिमुलेशन ने दिखाया कि ऊर्जा तरंगें केवल गुजर ही नहीं गईं; वे ग्राफीन के साथ कुछ विशिष्ट, नन्हे स्थानों में फंस गईं। ये स्थान अदृश्य पिंजरों की तरह काम करते हैं, जो लहरों को कैद कर लेते हैं और उन्हें उच्च तीव्रता के साथ कंपन करने के लिए मजबूर करते हैं। टीम ने पाया कि इन फंसी हुई जगहों ने ऊर्जा स्पेक्ट्रम में तीक्ष्ण, संकीर्ण शिखर (peaks) बनाए, जिसका अर्थ है कि अराजकता के बावजूद यह उपकरण ऊर्जा को बहुत सटीकता से केंद्रित कर रहा था।

सबसे रोमांचक हिस्सा तब हुआ जब उन्होंने "गेन" (ऊर्जा पंप) चालू किया। सिमुलेशन ने दिखाया कि एक बार जब ऊर्जा इनपुट एक विशिष्ट थ्रेशोल्ड को पार कर गया, तो इनमें से एक फंसी हुई जगह ने अचानक नियंत्रण ले लिया। इसने उपलब्ध सभी ऊर्जा को सोखना और उसे बढ़ाना शुरू कर दिया, जिससे यह सतह तरंगों का एक शक्तिशाली, सुसंगत स्रोत बन गया। यही वह "स्पैसर" प्रभाव है। टीम ने गणना की कि यह उपकरण मिड-इन्फ्रारेड रेंज में, विशेष रूप से 6.18 माइक्रोमीटर की तरंग दैर्ध्य (wavelength) के आसपास, अत्यधिक स्थानीयकृत सतह-बद्ध मोड उत्पन्न करेगा, जो पूरी तरह से नैनो-स्केल सतह तक सीमित होगा।

परिणामों ने यह भी दिखाया कि यह उपकरण ऊर्जा को स्थानीयकृत रखने में अविश्वसनीय रूप से कुशल है। भले ही संरचना यादृच्छिक है, आउटपुट सतह ऊर्जा का एक एकल, प्रमुख मोड है जिसकी चौड़ाई बहुत कम (लगभग 1.1 नैनोमीटर) है, जो उच्च स्तर के क्रम और सुसंगतता (coherence) को दर्शाता है। सिमुलेशन से पता चला कि "विजेता" स्थान में विद्युत क्षेत्र की तीव्रता, डिवाइस के बंद होने की तुलना में 60 गुना अधिक बढ़ गई।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह शोध पत्र सुझाव देता है कि अव्यवस्था से लड़ने के बजाय उसे अपनाकर, हम नैनोस्केल ऊर्जा स्रोतों के नए प्रकार बना सकते हैं। प्रस्तावित "रैंडम स्पैसर" केवल एक सैद्धांतिक जिज्ञासा नहीं है; सिमुलेशन संकेत देते हैं कि यह सतह-बद्ध ऊर्जा के एक कॉम्पैक्ट, ट्यूनेबल स्रोत के रूप में कार्य कर सकता है जो एक बहुत छोटे क्षेत्र तक सीमित है। लेखकों का मानना है कि यह नैनोस्केल स्पेक्ट्रोस्कोपी (सूक्ष्म स्तर पर सामग्रियों का विश्लेषण), नॉन-लीनियर ऑप्टिक्स और इंटीग्रेटेड फोटोनिक सर्किट के लिए नए दरवाजे खोल सकता है। यह साबित करके कि एक अस्त-व्यस्त, रैंडम सतह भी एक पूर्ण रूप से निर्मित दर्पण की तरह ऊर्जा को कैद और प्रवर्धित कर सकती है, यह कार्य भविष्य के नन्हे लेज़रों को बनाने के लिए एक नया और अभिनव दृष्टिकोण प्रदान करता है।