Light Transmission through Multilayer Metal Gratings with Periodic Slit Array Structures

प्रकाश ऐसे तरीकों से व्यवहार करता है जो अक्सर हमारी रोजमर्रा की सहज बुद्धि को चुनौती देते हैं, विशेष रूप से जब यह धातु के संपर्क में आता है। सामान्यतः, धातु की एक ठोस शीट एक पूर्ण दर्पण की तरह कार्य करती है, जो प्रकाश को परावर्तित करती है और उसे गुजरने से रोकती है। हालाँकि, यदि आप उस धातु की शीट में छोटे छेद कर दें, तो कुछ आश्चर्यजनक होता है: प्रकाश सरल ज्यामिति द्वारा अनुमानित तुलना में बहुत अधिक दक्षता के साथ गुजर सकता है। यह घटना, जिसे असाधारण ऑप्टिकल ट्रांसमिशन (extraordinary optical transmission) कहा जाता है, इसलिए होती है क्योंकि प्रकाश धातु की सतह पर इलेक्ट्रॉनों की लहरों के साथ परस्पर क्रिया करता है। ये लहरें, जिन्हें सतह प्लास्मोन (surface plasmons) कहा जाता है, एक पुल की तरह कार्य करती हैं, जिससे ऊर्जा इन सूक्ष्म छिद्रों के माध्यम से टनल होकर गुजर पाती है। जबकि वैज्ञानिक लंबे समय से धातु की एकल परतों में इस प्रभाव का अध्ययन करते रहे हैं, एक नया अध्ययन इस बात की जांच करता है कि क्या होता है जब आप धातु की कई परतों को एक के ऊपर एक रखते हैं, जिससे एक अधिक जटिल, त्रि-आयामी संरचना बन जाती है। इन स्टैक्ड (एक के ऊपर एक रखी गई) परतों के माध्यम से प्रकाश कैसे चलता है, इसे समझने से इंजीनियरों को भविष्य के ऑप्टिकल उपकरणों के लिए बेहतर फिल्टर और सेंसर डिजाइन करने में मदद मिल सकती है।

ईस्ट चाइना यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने यह जांचने के लिए हाथ बढ़ाया कि धातु की परतों की संख्या प्रकाश के संचरण (transmission) को कैसे प्रभावित करती है। उन्होंने चांदी (silver) से बनी एक संरचना का कंप्यूटर मॉडल तैयार किया, जो इन इलेक्ट्रॉन लहरों को सहारा देने के लिए जानी जाने वाली एक धातु है। चांदी की फिल्मों के एक ढेर की कल्पना करें, जिसमें से प्रत्येक में संकीर्ण दरारों (slits) की एक पंक्ति छिदी हुई है। उनके डिजाइन में, धातु की कुल मोटाई 1000 नैनोमीटर स्थिर रही, लेकिन परतों की संख्या बदलती रही। उन्होंने एक, दो, तीन, चार और पांच परतों वाली संरचनाओं का परीक्षण किया, और परतों के बीच की दूरी को समायोजित किया ताकि उस विन्यास (configuration) को खोजा जा सके जो सबसे अधिक प्रकाश को गुजरने की अनुमति देता है। इसका विश्लेषण करने के लिए, उन्होंने 'रिगोरस कपल्ड-वेव एनालिसिस' (rigorous coupled-wave analysis) नामक एक परिष्कृत गणना पद्धति का उपयोग किया, जो यह ट्रैक करती है कि विद्युत चुम्बकीय तरंगें दरारों और धातु की परतों के आवधिक पैटर्न (periodic pattern) के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं।

जब उन्होंने 1000 नैनोमीटर की मोटाई वाली चांदी की एक एकल परत को देखा, तो प्रकाश दो विशिष्ट तरंग दैर्ध्य (wavelengths) पर सबसे कुशलता से गुजरा: 1340 नैनोमीटर और 2590 नैनोमीटर। इन बिंदुओं पर, प्रकाश धातु के साथ अनुनाद (resonance) करता है, जिससे ट्रांसमिशन के मजबूत शिखर (peaks) बनते हैं। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने उसी मात्रा में धातु को दो अलग-अलग परतों में विभाजित किया, तो व्यवहार नाटकीय रूप से बदल गया। 1340 नैनोमीटर पर दिखने वाला तीक्ष्ण शिखर गायब हो गया, और उसकी जगह 1500 और 1550 नैनोमीटर के बीच एक व्यापक ट्रांसमिशन बैंड ने ले ली। 2590 नैनोमीटर पर दिखने वाला शिखर उनके अध्ययन के दायरे से पूरी तरह से गायब हो गया। जैसे-जैसे उन्होंने तीन, चार और पांच परतों तक संख्या बढ़ाई, ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रम और भी जटिल होता गया। एक-परत वाली संरचना में मौजूद एकल शिखर कई अलग-अलग शिखरों में विभाजित होने लगा। उदाहरण के लिए, तीन-परत वाली संरचना ने चार अलग-अलग ट्रांसमिशन शिखर दिखाए, जबकि पांच-परत वाली संरचना ने 1400 और 1990 नैनोमीटर पर तीक्ष्ण शिखर प्रदर्शित किए।

शोधकर्ताओं ने पाया कि जैसे-जैसे परतों की संख्या बढ़ती है, प्रकाश केवल अवरुद्ध नहीं होता है; बल्कि, ट्रांसमिशन शिखर लंबी तरंग दैर्ध्य की ओर स्थानांतरित होते हैं और बहुगुणित होते हैं। यह विभाजन इसलिए होता है क्योंकि प्रकाश अब केवल एक सतह के साथ परस्पर क्रिया नहीं कर रहा है। एक बहु-परत वाले स्टैक में, एक परत के ऊपर की सतह पर मौजूद इलेक्ट्रॉन लहरें ऊपर वाली परत के नीचे की लहरों से संवाद कर सकती हैं। यह परस्पर क्रिया प्रकाश के यात्रा करने के लिए नए, हाइब्रिड मार्ग बनाती है। सिमुलेशन ने दिखाया कि जिन तरंग दैर्ध्य पर ट्रांसमिशन उच्चतम था, वहां प्रकाश का चुंबकीय क्षेत्र दरारों के भीतर और धातु की परतों के बीच के अंतराल में तीव्रता से केंद्रित हो गया। यह संकेंद्रण विभिन्न धातु-डाइइलेक्ट्रिक इंटरफेस के बीच सतह प्लास्मोन के युग्मन (coupling) द्वारा संचालित होता है। अनिवार्य रूप से, परतें प्रकाश को एक मोटी एकल शीट की तुलना में अधिक प्रभावी ढंग से पकड़ने और निर्देशित करने के लिए मिलकर काम करती हैं।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक यह था कि एकल-परत संरचना में 2590 नैनोमीटर पर दिखने वाला व्यापक ट्रांसमिशन शिखर धीरे-धीरे कमजोर होता गया और अधिक परतें जोड़ने पर अंततः गायब हो गया। यह सुझाव देता है कि वह विशिष्ट वेवगाइड रेजोनेंस (waveguide resonance), जिसने एकल मोटी परत के माध्यम से प्रकाश को गुजरने की अनुमति दी थी, पतली परतों के बीच के अंतराल के प्रवेश से बाधित हो गया था। इसके बजाय, प्रणाली ने प्रकाश को प्रसारित करने के लिए परतों के बीच के युग्मन (coupling) पर भरोसा किया। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि इन स्लिट ऐरे (slit arrays) में असाधारण ऑप्टिकल ट्रांसमिशन केवल छेदों के आकार के बारे में नहीं है, बल्कि धातु और हवा के बीच की सीमाओं पर सतह प्लास्मोन के सटीक अनुनाद के बारे में है। परतों की संख्या और उनके बीच की दूरी को नियंत्रित करके, यह सटीक रूप से ट्यून किया जा सकता है कि प्रकाश की कौन सी तरंग दैर्ध्य को गुजरने दिया जाए। नियंत्रण का यह स्तर उन उपकरणों में प्रकाश को हेरफेर करने का एक नया तरीका प्रदान करता है जिन्हें सटीक फ़िल्टरिंग या सेंसिंग की आवश्यकता होती है, जो साधारण, एकल-परत वाली धातु फिल्मों की तुलना में कहीं अधिक उन्नत है।