Broadband Polarization-Agnostic Dispersion Flattening with Gradient ε-and-µ-Near-Zero Photonic Structures

एक प्रिज्म के माध्यम से इंद्रधनुष को देखने की कल्पना करें। जैसे ही आप प्रिज्म को झुकाते हैं, रंग बदलते और फैलते जाते हैं; प्रकाश अलग-अलग कोणों से देखने पर अलग तरह से मुड़ता है। कोणीय फैलाव (angular dispersion) के रूप में जानी जाने वाली यह व्यवहार, प्रकाश के सामग्रियों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है, इसका एक मौलिक गुण है। मानव इतिहास के अधिकांश समय के लिए, यह प्रकृति का एक अपरिहार्य दोष रहा है। हालाँकि, तकनीक की आधुनिक दुनिया में, प्रकाश का यह बदलाव अक्सर एक समस्या होता है। हाई-डेफिनिशन डिस्प्ले, थर्मल इमेजिंग कैमरों या सौर ऊर्जा संग्राहकों में, इंजीनियरों को आवश्यकता होती है कि प्रकाश देखने के कोण के बावजूद सुसंगत रूप से व्यवहार करे। यदि किनारे से देखने पर रंग बदलते हैं, या यदि सूर्य आकाश में घूमते समय दक्षता कम हो जाती है, तो उपकरण विफल हो जाता है। दशकों से, वैज्ञानिक ऐसे अति-पतले सामग्रियां बनाने के लिए संघर्ष कर रहे थे जो अपने ऑप्टिकल आकार को स्थिर रख सकें, जो रंगों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदान करें जो देखने के कोण के बदलने पर न तो फैलें और न ही बदलें, और जो प्रकाश के हर ओरिएंटेशन के लिए काम कर सकें।

कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स और सिटी यूनिवर्सिटी ऑफ न्यूयॉर्क के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक नए प्रकार की इंजीनियर की गई सामग्री का उपयोग करके इस स्थिरता को प्राप्त करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है। उन्होंने एक ऐसी संरचना बनाई है जो इन्फ्रारेड प्रकाश को सामान्य कोण-निर्भर विरूपण के बिना परावर्तित होने देती है, और उन्होंने ऐसा सभी प्रकार के प्रकाश ध्रुवीकरण (polarization) के लिए किया है, जिसका अर्थ है कि यह उन प्रकाश तरंगों के लिए भी काम करता है जो किसी भी दिशा में कंपन करती हैं। उनका कार्य, जो हाल ही में प्रकाशित हुआ है, एक ऐसा प्लेटफॉर्म पेश करता है जो विशेष रूप से परतदार सेमीकंडक्टर को एक पैटर्न वाली सतह के साथ जोड़ता है ताकि प्रकाश के प्रसार को समतल किया जा सके। यह उपलब्धि उन इन्फ्रारेड उपकरणों के लिए द्वार खोलती है जो सामने से या एक तीव्र कोण से देखे जाने पर भी स्पष्ट और कुशल बने रहते हैं, एक ऐसी क्षमता जिसे लंबे समय से ऐसी पतली सामग्रियों के लिए असंभव माना जाता रहा है।

समस्या का मूल कारण यह है कि प्रकाश अत्यंत पतली फिल्मों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। प्रकृति में, जब प्रकाश की एक पतली परत से टकराता है, तो उसका व्यवहार आमतौर पर इस बात पर निर्भर करता है कि वह किस कोण पर टकराता है। यदि सामग्री को प्रकाश के एक विशिष्ट रंग के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, तो वह संपर्क आमतौर पर केवल तभी पूर्ण होता है जब प्रकाश सीधा नीचे आता है। यदि प्रकाश को तिरछा किया जाए, तो वह रंग जिसके साथ सामग्री परस्पर क्रिया करती है, बदल जाता है। पिछले प्रयासों ने विशेष तरंगों पर भरोसा किया जिन्हें पोलरिटोन (polaritons) कहा जाता है, जो हाइब्रिड कण हैं जो तब बनते हैं जब प्रकाश किसी सामग्री में कंपन के साथ जुड़ता है। हालांकि ये पोलरिटोन बहुत स्थिर ऑप्टिकल प्रतिक्रियाएं बना सकते हैं, लेकिन ऐतिहासिक रूप से वे सीमित रहे हैं। वे अक्सर केवल एक विशिष्ट दिशा में कंपन करने वाले प्रकाश के लिए काम करते थे, या वे रंगों की एक बहुत ही संकीर्ण बैंड तक सीमित थे, जिससे वे उन अनुप्रयोगों के लिए बेकार हो जाते थे जिनमें स्पेक्ट्रम की विस्तृत श्रृंखला की आवश्यकता होती है।

इन सीमाओं को दूर करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी संरचना डिजाइन की जो सामग्री के गुणों के ग्रेडिएंट (gradient), या एक चिकनी ढलान की तरह कार्य करती है। उन्होंने इंडियम आर्सेनाइड (indium arsenide) की अत्यंत पतली परतों के एक स्टैक से शुरुआत की, जो एक सेमीकंडक्टर सामग्री है। एक मानक स्टैक में, प्रत्येक परत समान होगी। इस नए डिजाइन में, हालांकि, शोधकर्ताओं ने प्रत्येक परत को बनाते समय उसमें इलेक्ट्रॉनों की सांद्रता को सावधानीपूर्वक बदला। इसने एक ऐसी स्थिति पैदा की जहाँ ऊपरी परतें इन्फ्रारेड तरंग दैर्ध्य (wavelengths) की एक सीमा के प्रति प्रतिक्रिया करती हैं, मध्य परतें दूसरी सीमा के प्रति, और निचली परतें तीसरी सीमा के प्रति। इन परतों को एक साथ स्टैक करके, उन्होंने अनुनाद आवृत्तियों (resonant frequencies) की एक निरंतर सीढ़ी बनाई। एक एकल तीक्ष्ण शिखर के बजाय जहाँ प्रकाश परस्पर क्रिया करता है, यह संरचना परस्पर क्रिया के एक विस्तृत, सपाट बैंड का समर्थन करती है। इसका मतलब है कि जैसे-जैसे आने वाले प्रकाश का कोण बदलता है, संरचना को क्षतिपूर्ति के लिए अपने अनुनाद (resonance) को बदलने की आवश्यकता नहीं होती है; अनुनाद पहले से ही वहां मौजूद है, जो पूरे कोणों के विस्तार में फैला हुआ है।

हालाँकि, इस ग्रेडिएंट स्टैक की एक महत्वपूर्ण सीमा थी: यह केवल एक विशिष्ट तल में कंपन करने वाले प्रकाश के लिए काम करता था, जिसे ट्रांसवर्स मैग्नेटिक पोलराइजेशन (transverse magnetic polarization) कहा जाता है। लंबवत तल में कंपन करने वाला प्रकाश, जिसे ट्रांसवर्स इलेक्ट्रिक (transverse electric) कहा जाता है, बस बिना किसी परस्पर क्रिया के गुजर जाता था। इस समस्या को हल करने के लिए, टीम ने दूसरा घटक जोड़ा: सेमीकंडक्टर स्टैक के ऊपर रखा गया एक फोटोनिक क्रिस्टल स्लैब। यह जर्मेनियम की एक पतली शीट है जिस पर छेदों का एक सटीक ग्रिड उकेरा गया है, जो उनके एक डिजाइन में 5 माइक्रोमीटर और दूसरे में 7 माइक्रोमीटर में दोहराया जाता है। यह पैटर्न यादृच्छिक नहीं है; इसे 'बाउंड स्टेट इन द कंटीनम' (bound state in the continuum) नामक प्रकाश की एक विशेष अवस्था का समर्थन करने के लिए इंजीनियर किया गया है। सरल शब्दों में, यह एक ऐसी अवस्था है जहाँ प्रकाश संरचना के भीतर इस तरह से फंसा रहता है कि वह सममिति (symmetry) द्वारा संरक्षित होता है, जिससे वह उन सामान्य नियमों के प्रति प्रतिरोधी हो जाता है जो इसे लीक होने या ध्रुवीकरण के आधार पर अपना व्यवहार बदलने के लिए मजबूर करते हैं।

फोटोनिक क्रिस्टल और ग्रेडिएंट सेमीकंडक्टर स्टैक के बीच की परस्पर क्रिया एक अनूठी कपलिंग प्रक्रिया बनाती है। फोटोनिक क्रिस्टल एक सार्वभौमिक प्रवेश द्वार के रूप में कार्य करता है, जो बाहरी दुनिया के प्रकाश को प्रकाश के कंपन करने के तरीके के बावजूद अंतर्निहित परतों में प्रवेश करने की अनुमति देता है। क्रिस्टल पैटर्न की सममिति के कारण, यह क्षैतिज और ऊर्ध्其實 (vertical) दोनों प्रकार के प्रकाश कंपनों के साथ समान व्यवहार करता है। जब प्रकाश इस संरचना से टकराता है, तो फोटोनिक क्रिस्टल उसे सेमीकंडक्टर स्टैक की उस विशिष्ट परत में निर्देशित करता है जो उसके रंग से मेल खाती है। यदि प्रकाश रेड-शिफ्टेड इन्फ्रारेड है, तो वह निचली परत में प्रवेश करता है; यदि वह ब्लू-शिफ्टेड है, तो वह ऊपरी परत में प्रवेश करता है। यह प्रक्रिया बिना प्रकाश को अपने प्रवेश कोण को बदलने की आवश्यकता के होती है ताकि मिलान पाया जा सके। परिणाम एक ब्रॉडबैंड प्रतिक्रिया है जहाँ ऑप्टिकल गुण एक विस्तृत रेंज के कोणों में, सीधे सामने से लेकर 50 डिग्री के तीव्र कोण तक, सपाट और स्थिर रहते हैं।

शोधकर्ताओं ने इस अवधारणा का परीक्षण करने के लिए दो अलग-अलग उपकरण बनाए ताकि यह सिद्ध किया जा सके कि विचार इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम के विभिन्न हिस्सों में काम करता है। पहला उपकरण 12 से 16 माइक्रोमीटर के बीच संचालित होने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जो थर्मल इमेजिंग में उपयोग की जाने वाली एक रेंज है। दूसरा उपकरण 17 से 19 माइक्रोमीटर के बीच की लंबी रेंज के लिए ट्यून किया गया था। दोनों मामलों में, उन्होंने मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी (molecular beam epitaxy) का उपयोग किया, जो एक ऐसी तकनीक है जो परमाणु दर परमाणु जमाव के माध्यम से इंडियम आर्सेनाइड परतों में डोपिंग के सटीक ग्रेडिएंट को बनाने की अनुमति देती है। इसके बाद उन्होंने मानक नैनोफैब्रिकेशन विधियों का उपयोग करके जर्मेनियम फोटोनिक क्रिस्टल को ऊपर से पैटर्न किया। जब उन्होंने इन संरचनाओं पर प्रकाश डाला और उनके परावर्तन को मापा, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। दोनों उपकरणों के लिए, परावर्तन पैटर्न लगभग एक जैसा रहा, चाहे प्रकाश सतह से सीधे कोण पर टकरा रहा हो या 50 डिग्री के तीव्र कोण पर। यह क्षैतिज और ऊर्ध्其實 दोनों दिशाओं में कंपन करने वाले प्रकाश के लिए भी सत्य था।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि ये परिणाम केवल विशिष्ट सामग्रियों का संयोग नहीं हैं, टीम ने विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन और सैद्धांतिक विश्लेषण किया। उन्होंने सामग्री के प्रभावी गुणों की गणना की, जिससे पुष्टि हुई कि संरचना इस तरह व्यवहार करती है जैसे कि इसका अपवर्तनांक (refractive index) पूरे परिचालन बैंड में लगभग शून्य है। यह 'नियर-जीरो इंडेक्स' ही कोण-असंवेदनशील व्यवहार की कुंजी है। इसके अलावा, उन्होंने डिवाइस के भीतर विद्युत क्षेत्रों (electric fields) का सिमुलेशन किया ताकि यह देखा जा सके कि प्रकाश वास्तव में कहाँ जा रहा है। सिमुलेशन ने दिखाया कि किसी भी दिए गए तरंग दैर्ध्य (wavelength) पर, प्रकाश ऊर्जा ग्रेडिएंट स्टैक के एक विशिष्ट हिस्से में मजबूती से केंद्रित रहती है, ठीक वहीं जहाँ सामग्री के गुण उस तरंग दैर्ध्य से मेल खाते हैं। जैसे-जैसे तरंग दैर्ध्य बदलता है, इस संकेंद्रण (confinement) का स्थान स्टैक में ऊपर या नीचे सुचारू रूप से बदलता है, लेकिन संकेंद्रण स्वयं, आने वाले प्रकाश के कोण के बावजूद, मजबूत और स्थिर रहता है।

अध्ययन ने स्पष्ट रूप से इस संभावना को खारिज कर दिया कि यह प्रभाव साधारण हस्तक्षेप (interference) या पारंपरिक दर्पणों या लेंसों में पाए जाने वाले मानक ऑप्टिकल प्रभावों के कारण था। पारंपरिक सामग्रियों में, प्रकाश का कोण बदलने से अनुनाद के रंग में स्पष्ट बदलाव आता है, जिसे डिस्पर्शन (dispersion) कहा जाता है। इन नई संरचनाओं में, वह बदलाव अनुपस्थित था। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि उनके डिज़ाइन किए गए बैंड के बाहर की तरंग दैर्ध्य के लिए, सामग्रियों ने अपेक्षित डिस्पर्शन व्यवहार दिखाया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि सपाट, कोण-स्थिर प्रतिक्रिया उनके ग्रेडिएंट डिज़ाइन की एक विशिष्ट विशेषता थी और न कि उपयोग की गई सामग्रियों का कोई सामान्य गुण। उन्होंने यह भी पुष्टि की कि प्रभाव केवल एक ध्रुवीकरण तक सीमित नहीं था, जो समान तकनीकों के लिए एक सामान्य विफलता बिंदु है, यह प्रदर्शित करके कि दोनों लीनियर पोलराइजेशन के लिए प्रदर्शन समान था।

यह कार्य ऑप्टिकल सामग्रियों के डिजाइन के लिए एक नया ढांचा स्थापित करता है जहाँ देखने का कोण प्रदर्शन को निर्धारित नहीं करता है। कोणीय फैलाव को स्पेक्ट्रल बैंडविड्थ और ध्रुवीकरण से अलग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री-स्तरीय डिजाइन बनाई है जिसे केवल डोपिंग ग्रेडिएंट और शीर्ष क्रिस्टल के पैटर्न को समायोजित करके विभिन्न तरंग दैर्ध्य के लिए ट्यून किया जा सकता है। भविष्य की तकनीक के लिए इसके निहितार्थ महत्वपूर्ण हैं। वे उपकरण जो इन्फ्रारेड सेंसिंग पर निर्भर करते हैं, जैसे नाइट विजन सिस्टम या थर्मल कैमरे, बहुत अधिक प्रभावी हो सकते हैं, जो अत्यधिक कोणों से देखे जाने पर भी अपनी स्पष्टता और संवेदनशीलता बनाए रखते हैं। इसी तरह, ऊर्जा प्रणालियों में उपयोग किए जाने वाले थर्मल उत्सर्जकों (thermal emitters) को अत्यधिक कोणों से ऊष्मा कुशलतापूर्वक विकीर्ण करने के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है बिना स्पेक्ट्रल सटीकता खोए। हालांकि वर्तमान कार्य इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रम पर केंद्रित है, यहाँ प्रदर्शित सिद्धांत यह सुझाव देते हैं कि इसी तरह के ग्रेडिएंट दृष्टिकोणों को अंततः प्रकाश के अन्य स्पेक्ट्रम भागों पर भी लागू किया जा सकता है, जो ऑप्टिकल उपकरणों के लिए एक नया मार्ग प्रदान करते हैं जो मजबूत, बहुमुखी और वर्तमान में उपलब्ध किसी भी चीज़ से मौलिक रूप से भिन्न हैं।