Optical Tamm states-induced tunable triple-band spin-dependent near-perfect absorption in a magnetic Weyl semimetal-Fibonacci heterostructure

प्रकाश और पदार्थ की दुनिया में, वैज्ञानिक लंबे समय से प्रकाश को उसके "स्पिन" (spin) के आधार पर छाँटने का तरीका खोज रहे हैं, जो एक मौलिक गुण है जो प्रकाश तरंगों को या तो बाईं ओर या दाईं ओर घुमाव देने के लिए प्रेरित करता है। यह क्षमता अगली पीढ़ी के कंप्यूटिंग और संचार के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जहाँ सूचना केवल बीम की तीव्रता के बजाय इस घुमाव की दिशा द्वारा ले जाई जा सकती है। पारंपरिक रूप से, इस प्रकार के पृथक्करण को प्राप्त करने के लिए भारी उपकरणों और मजबूत बाहरी चुंबकों की आवश्यकता होती थी ताकि प्रकाश को एक विशिष्ट तरीके से व्यवहार करने के लिए मजबूर किया जा सके। हालाँकि, 'मैग्नेटिक वेइल सेमीमेटल्स' (magnetic Weyl semimetals) नामक सामग्रियों का एक नया वर्ग एक अलग मार्ग प्रदान करता है। ये ठोस क्रिस्टल हैं जो अपनी अनूठी आंतरिक संरचना के कारण, बिना किसी बाहरी मदद के इलेक्ट्रॉनों के लिए स्वाभाविक रूप से एक चुंबकीय जैसा प्रभाव पैदा करते हैं। यह अंतर्निहित गुण उन्हें बाईं ओर घूमने वाले और दाईं ओर घूमने वाले प्रकाश के साथ अलग तरह से बातचीत करने की अनुमति देता है, यहाँ तक कि पूरी तरह से चुंबक-मुक्त वातावरण में भी। चुनौती यह रही है कि जबकि ये सामग्रियां दोनों प्रकार के प्रकाश के बीच अंतर करने में उत्कृष्ट हैं, वे इसे सोखने या अवशोषित करने में बहुत अच्छी नहीं हैं। उपयोगी उपकरण बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को प्रकाश को सामग्री के भीतर तब तक कैद करने की आवश्यकता है जब तक कि वह अवशोषित न हो जाए, और उन्हें यह कार्य एक समय में केवल एक रंग के लिए नहीं, बल्कि प्रकाश के कई रंगों के लिए एक साथ करना होगा।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक समाधान प्रस्तावित किया है जो इन चुंबकीय क्रिस्टल को पारदर्शी परतों के एक विशेष रूप से इंजीनियर किए गए स्टैक (stack) के साथ जोड़ता है, ताकि एक ऐसा उपकरण बनाया जा सके जो तीन अलग-अलग आवृत्तियों (frequencies) पर आने वाले लगभग सभी प्रकाश को अवशोषित कर सके। उन्होंने जो संरचना डिजाइन की है, उसमें चुंबकीय सामग्री की एक पतली फिल्म को 'फाइबोनैकी अनुक्रम' (Fibonacci sequence) के रूप में व्यवस्थित डाइइलेक्ट्रिक परतों के क्रम के ऊपर रखा गया है। यह पैटर्न यादृच्छिक (random) नहीं है, और न ही यह एक साधारण दोहराव वाला लूप है; इसके बजाय, यह एक गणितीय नियम का पालन करता है जहाँ परतों की व्यवस्था इस तरह से बढ़ती है कि यह एक स्व-समान (self-similar), फ्रैक्टल जैसी संरचना बनाती है। जब प्रकाश इस स्टैक से टकराता है, तो वह चुंबकीय फिल्म और स्तरित पैटर्न के बीच एक विशिष्ट क्षेत्र में फंस जाता है, जिसे 'ऑप्टिकल टैम स्टेट' (optical Tamm state) कहा जाता है। इसे एक संगीत वाद्ययंत्र की तरह समझें जहाँ उसका शरीर इस तरह से बना होता है कि वह एक साथ तीन विशिष्ट सुरों पर पूरी तरह से गूँज (resonate) सकता है, न कि केवल एक पर। इस मामले में, "सुर" मध्य से दूर-अवरक्त (mid- to far-infrared) रेंज में प्रकाश की आवृत्तियाँ हैं, और "वाद्ययंत्र" परतों का इंजीनियर किया गया स्टैक है।

शोधकर्ताओं ने उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग यह मॉडल करने के लिए किया कि यह संरचना प्रकाश से टकराने पर कैसा व्यवहार करेगी। उन्होंने पाया कि यह उपकरण टकराने वाले लगभग सभी प्रकाश को सफलतापूर्वक अवशोषित कर लेता है, लेकिन एक उल्लेखनीय मोड़ के साथ: यह बाईं ओर घूमने वाले प्रकाश और दाईं ओर घूमने वाले प्रकाश को थोड़े अलग आवृत्तियों पर अवशोषित करता है। इसका अर्थ यह है कि किसी भी दिए गए क्षण में, यह उपकरण एक प्रकार के स्पिन के लिए एक आदर्श स्पंज के रूप में कार्य करता है जबकि दूसरे को गुजरने देता है या परावर्तित होने देता है। यह पृथक्करण स्पेक्ट्रम के तीन अलग-अलग बैंडों में स्वाभाविक रूप से होता है, जो प्रभावी रूप से सूचना को संसाधित करने के लिए तीन स्वतंत्र चैनल बनाता है। अध्ययन से पता चलता है कि इन अवशोषण शिखर (absorption peaks) की स्थिति और शक्ति को सामग्रियों के भौतिक गुणों को समायोजित करके सूक्ष्म रूप से ट्यून किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, चुंबकीय परमाणुओं के आंतरिक अंतराल को बदलने या क्रिस्टल के भीतर इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तर को बदलने से वे आवृत्तियाँ बदल जाती हैं जहाँ अवशोषण होता है। इसी तरह, स्पैसर परत की मोटाई या स्टैक में सामग्रियों के अपवर्तनांक (refractive index) को बदलकर, वैज्ञानिक अवशोषण को कम या अधिक कर सकते हैं, या तीन चैनलों के पूरे सेट को स्पेक्ट्रम के दूसरे हिस्से में स्थानांतरित कर सकते हैं।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक यह है कि शोधकर्ता तीन अवशोषण बैंडों को उन विशिष्ट मापदंडों का उपयोग करके नियंत्रित कर सकते हैं जो पूरे सिस्टम पर कार्य करते हैं। वे वेइल नोड (Weyl node) के अलगाव, फर्मी स्तर (Fermi level), या डाइइलेक्ट्रिक परत की मोटाई को ट्यून करके, तीन बैंडों की अनुनाद आवृत्ति (resonance frequency) और अवशोषण तीव्रता को स्वतंत्र रूप से समायोजित कर सकते हैं। स्टैक में उच्च-सूचकांक (high-index) वाली परतें विशेष रूप से संवेदनशील साबित हुईं, जहाँ मोटाई में मामूली बदलाव से प्रकाश की आवृत्तियों में बड़े बदलाव आए, जबकि अन्य परतों ने अधिक सौम्य समायोजन की अनुमति दी। नियंत्रण का यह स्तर बताता है कि इस डिज़ाइन का उपयोग समानांतर में कई स्पिन-आधारित सूचनाओं को संभालने वाले कॉम्पैक्ट, एकीकृत उपकरण बनाने के लिए किया जा सकता है। पुराने डिजाइनों के विपरीत जो केवल प्रकाश के एक एकल चैनल को प्रबंधित कर सकते थे, यह दृष्टिकोण एक साथ कई अनुनाद (resonances) को सहारा देने के लिए जटिल, बहु-परतीय वास्तुकला का उपयोग करके इस सीमा को तोड़ता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि वेइल सेमीमेटल्स के अंतर्निहित चुंबकीय गुणों को अर्ध-आवधिक (quasi-periodic) संरचनाओं की अद्वितीय प्रकाश-कैद करने की क्षमताओं के साथ जोड़कर, एक ऐसी प्रणाली बनाई जा सकती है जो अत्यधिक कुशल और अत्यधिक ट्यूनेबल है, जो अधिक परिष्कृत स्पिन-आधारित फोटोनिक प्रौद्योगिकियों का मार्ग प्रशस्त करती है।