Efficient Photon Pair Generation in High-Q Cavity Doubly Resonant Modulated 1D Nonlinear Defective Photonic Crystal

प्रकाश केवल वह नहीं है जो हम देखते हैं; यह एक बहुमुखी उपकरण है जिसे वैज्ञानिक जानकारी ले जाने के लिए विभाजित करने, मिलाने और नया आकार देने के बारे में सीख रहे हैं। आधुनिक प्रकाशिकी (ऑप्टिक्स) की दुनिया में, एक प्रमुख लक्ष्य ऐसे सूक्ष्म, कुशल मशीन बनाना है जो प्रकाश की एक एकल किरण को दो अलग-अलग रंगों की नई किरणों में विभाजित कर सके। यह प्रक्रिया भविष्य के क्वांटम कंप्यूटरों और अति-सुरक्षित संचार नेटवर्क की नींव है। हालाँकि, इसे एक छोटे स्थान में साकार करना कठिन है। प्रकाश को आमतौर पर सामग्री के साथ अंतःक्रिया करने और अपना रंग बदलने के लिए एक लंबे पथ की आवश्यकता होती है, लेकिन हम जिन उपकरणों को बनाना चाहते हैं वे सूक्ष्मदर्शीय हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ता 'कैविटीज़' नामक विशेष संरचनाओं का उपयोग करते हैं, जो प्रकाश के लिए जाल (ट्रैप) की तरह कार्य करती हैं, जिससे प्रकाश बार-बार टकराकर वापस आता है ताकि वह अंदर की सामग्री के साथ अधिक समय तक बना रहे और मजबूती से अंतःक्रिया कर सके। इन नए प्रकाश युग्मों को उत्पन्न करने का सबसे प्रभावी तरीका दो विशिष्ट रंगों को एक ही समय में फँसाना है: वह मूल रंग जो उपकरण में प्रवेश कर रहा है और वह नया रंग जो निर्मित हो रहा है। इस समवर्ती ट्रैपिंग को 'डबल रेजोनेंस' (दोहरा अनुनाद) कहा जाता है, और इसे एक सरल, निर्माण योग्य उपकरण में प्राप्त करना एक निरंतर चुनौती रही है।

एन. मोहम्मदी रूज़बानी और ए. बनानाजेज के नेतृत्व वाली शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है जो एक सरल, एक-आयामी संरचना का उपयोग करके इस डबल रेजोनेंस को प्राप्त करता है। ऐसे कार्यों के लिए अक्सर आवश्यक जटिल, बहु-परतीय पैटर्न के बजाय, उन्होंने पतली फिल्मों के एक ऊर्ध्वाधर स्टैक (vertical stack) का निर्माण किया। इस स्टैक के केंद्र में गैलियम फॉस्फाइड की एक परत स्थित है, जो प्रकाश का रंग बदलने की क्षमता के लिए जानी जाती है। यह केंद्रीय परत टाइटेनियम डाइऑक्साइड और सिलिकॉन डाइऑक्साइड की वैकल्पिक परतों से बने दो दर्पणों के बीच सैंडविच की गई है। ये दर्पण, जिन्हें 'डिस्ट्रीब्यूटेड ब्रैग रिफ्लेक्टर्स' कहा जाता है, विशिष्ट रंगों के प्रकाश को वापस केंद्र में परावर्तित करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, ताकि वह बाहर न निकल सके। शोधकर्ताओं ने इस संरचना का अनुकरण (सिमुलेशन) किया कि यह कैसे व्यवहार करेगी, जिसमें उन्होंने दो विशिष्ट रंगों पर ध्यान केंद्रित किया: एक मौलिक तरंग दैर्ध्य 1500 नैनोमीटर, जो दूरसंचार में सामान्य है, और इसकी दोगुनी आवृत्ति 750 नैनोमीटर।

अपने प्रारंभिक डिज़ाइन में, टीम ने पाया कि परतों को केवल स्टैक करना पूरी तरह से काम नहीं करता है। जबकि संरचना ने 1500 नैनोमीटर पर प्रकाश को सफलतापूर्वक फँसाया, दूसरा रंग, 750 नैनोमीटर, वांछित डबल रेजोनेंस बनाने के लिए ठीक उसी जगह पर नहीं था जहाँ उसे होना चाहिए था। दोनों रंग करीब तो थे, लेकिन तालमेल नहीं था। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक चतुर संशोधन पेश किया। उन्होंने परतों के समग्र अंतराल को स्थिर रखा लेकिन केंद्र की ओर बढ़ते हुए व्यक्तिगत दर्पण परतों की मोटाई को धीरे-धीरे बदल दिया। विशेष रूप से, उन्होंने मध्य की ओर एक निरंतर, रैखिक प्रगति में सिलिकॉन डाइऑक्साइड की परतों को थोड़ा पतला और टाइटेनियम डाइऑक्साइड की परतों को थोड़ा मोटा बनाया। इस सूक्ष्म समायोजन ने उन्हें उपकरण को इस तरह ट्यून करने की अनुमति दी कि 1500-नैनोमीटर और 750-नैनोमीटर दोनों तरंगें केंद्रीय गैलियम फॉस्फाइड परत के भीतर एक साथ फँस सकें।

इस सिमुलेशन के परिणाम आश्चर्यजनक थे। इस रैखिक मॉड्यूलेशन का उपयोग करके, टीम ने एक ऐसी कैविटी बनाई जहाँ प्रकाश असाधारण तीव्रता के साथ बना रहता है। इस ट्रैप की गुणवत्ता, जिसे 'क्वालिटी फैक्टर' नामक मान द्वारा मापा जाता है, 1500-नैनोमीटर प्रकाश के लिए लगभग 100,000 तक पहुँच गई। यह उच्च संख्या दर्शाती है कि प्रकाश बाहर निकलने से पहले कई बार वापस टकराता है, जिससे गैलियम फॉस्फाइड के ठीक स्थान पर एक शक्तिशाली विद्युत क्षेत्र बनता है। क्योंकि दोनों रंग एक ही छोटे स्थान में फंसे हुए हैं, वे आपस में पूरी तरह से ओवरलैप (अतिव्यापन) करते हैं। यह ओवरलैप अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि यह प्रकाश और सामग्री के बीच अंतःक्रिया को अधिकतम करता है, जिससे रूपांतरण प्रक्रिया बल्क सामग्री या कम अनुकूलित डिज़ाइनों की तुलना में कहीं अधिक कुशल हो जाती है।

सिमुलेशन ने यह भी खुलासा किया कि इस संरचना के माध्यम से प्रकाश के यात्रा करने की गति नाटकीय रूप से कम हो जाती है। कैविटी के भीतर, प्रकाश की 'ग्रुप वेलोसिटी' (समूह वेग) सामान्य सामग्री की तुलना में पांच परिमाण (orders of magnitude) कम हो जाती है। इस धीमी गति का अर्थ है कि प्रकाश गैलियम फॉस्फाइड के साथ अंतःक्रिया करने के लिए काफी अधिक समय बिताता है, जो सीधे तौर पर फोटॉन युग्मों के उत्पादन की दर को बढ़ाता है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह धीमी गति कैविटी के बिना सामग्री का उपयोग करने की तुलना में पीढ़ी दर (generation rate) को दस परिमाण तक बढ़ा सकती है। हालांकि यह अध्ययन भौतिक प्रयोगों के बजाय कंप्यूटर सिमुलेशन पर आधारित है, लेकिन डिज़ाइन मानक सामग्रियों और निर्माण तकनीकों पर निर्भर करता है। स्टैक की एक-आयामी प्रकृति का अर्थ है कि इसे सामान्य 'थिन-फिल्म डिपोजिशन' विधियों का उपयोग करके बनाया जा सकता है, जिससे अधिक जटिल दो-आयामी डिज़ाइनों के लिए आवश्यक जटिल और महंगी लिथोग्राफी प्रक्रियाओं से बचा जा सकता है।

यह कार्य कॉम्पैक्ट, उच्च-प्रदर्शन वाले क्वांटम प्रकाश स्रोतों को बनाने के लिए एक व्यवहार्य मार्ग का सुझाव देता है। यह सिद्ध करके कि दर्पण परतों की मोटाई में एक सरल, रैखिक समायोजन से डबल रेजोनेंस की कठिन स्थिति प्राप्त की जा सकती है, शोधकर्ताओं ने ऐसे उपकरणों का ब्लूप्रिंट पेश किया है जो अत्यधिक कुशल और निर्माण में आसान दोनों हैं। प्रस्तावित संरचना उच्च प्रदर्शन की आवश्यकता और एकीकृत फोटोनिक सर्किट बनाने की व्यावहारिक वास्तविकता के बीच संतुलन बनाती है। यदि ये सिमुलेशन प्रयोगशाला में सही सिद्ध होते हैं, तो ऐसे उपकरण भविष्य की उन तकनीकों में एक मानक घटक बन सकते हैं जो प्रकाश के सटीक नियंत्रण पर निर्भर करती हैं, जैसे कि उन्नत सेंसर से लेकर कल के क्वांटम कंप्यूटरों के प्रोसेसर तक।