Stable Continuous-Wave Perovskite Lasers by Harvesting Triplet Excitons
अनुसंधानकर्ताओं ने मजबूत प्रकाश-द्रव्य युग्मन (light–matter coupling) स्थापित करने के लिए फैब्री-पेरोट कैविटी (Fabry–Pérot cavity) में अर्ध-2D पेरोव्स्काइट्स (quasi-2D perovskites) को अंतर्निहित करके, ट्रिपलेट एक्साइटोन (triplet excitons) को एक हानि चैनल से एक लाभ संसाधन में सफलतापूर्वक परिवर्तित कर दिया, जिससे उच्च दक्षता और दीर्घकालिक स्थिरता के साथ स्थिर, कमरे के तापमान पर निरंतर-तरंग लेजिंग (continuous-wave lasing) संभव हो सकी।
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लेजर आधुनिक जीवन के अदृश्य कार्यबल हैं, जो इंटरनेट के फाइबर-ऑप्टिक केबलों से लेकर किराने की दुकानों में बारकोड स्कैनर तक सब कुछ संचालित करते हैं। आज अधिकांश लेजर ठोस पदार्थों या गैसों से बने होते हैं, लेकिन वैज्ञानिकों ने लंबे समय से उन्हें तरल जैसे समाधानों से बनाने का सपना देखा है जिन्हें सतहों पर छापा या पेंट किया जा सके। ये "सॉल्यूशन-प्रोसेस्ड" सामग्रियां, विशेष रूप से पेरोव्स्काइट्स नामक क्रिस्टल का एक वर्ग, अविश्वसनीय रूप से आशाजनक हैं क्योंकि इन्हें बनाना सस्ता है और इन्हें लगभग किसी भी रंग का प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए ट्यून किया जा सकता है। हालांकि, एक मौलिक बाधा ने उन्हें व्यावहारिक, निरंतर प्रकाश स्रोतों बनने से रोके रखा है। इन सामग्रियों के भीतर, जब प्रकाश उत्पन्न होता है, तो यह दो प्रकार के ऊर्जा पैकेट, या एक्सिटोन (excitons) बनाता है, जो एक निश्चित अनुपात में होते हैं: प्रत्येक एक उपयोगी पैकेट के लिए, तीन बेकार पैकेट बनाए जाते हैं। ये बेकार पैकेट, जिन्हें ट्रिपलेट्स (triplets) कहा जाता है, लंबे समय तक जीवित रहते हैं और ट्रैफिक जाम की तरह काम करते हैं, जो अंततः सिस्टम को जाम कर देते हैं और लेजर बीम को खत्म कर देते हैं। इस समस्या ने इन लेजरों को निरंतर रूप से चलते रहने के लिए, विशेष रूप से वास्तविक दुनिया के उपकरणों के लिए आवश्यक वैक्यूम-सील्ड वातावरण में, लगभग असंभव बना दिया है।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस ट्रैफिक जाम को साफ करने का एक तरीका खोज लिया है, जिससे एक पेरोव्स्काइट लेजर एक घंटे से अधिक समय तक फीका पड़े बिना निरंतर चल सकता है। वैज्ञानिकों ने एक विशिष्ट प्रकार के पेरोव्स्काइट क्रिस्टल के साथ काम किया जो स्वाभाविक रूप से पतली, परतदार चादरें बनाता है। उन्होंने इस सामग्री के एक छोटे से टुकड़े को एक सूक्ष्म दर्पण बॉक्स के अंदर रखा, जिसे फैब्री-पेरोट कैविटी (Fabry–Pérot cavity) नामक उपकरण के रूप में जाना जाता है, जो प्रकाश को फंसाता है और उसे हजारों बार वापस उछलने के लिए मजबूर करता है। दर्पणों के बीच की दूरी को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, उन्होंने ऐसी स्थिति पैदा की जहाँ प्रकाश और सामग्री के ऊर्जा पैकेट इतने मजबूती से जुड़ गए कि वे एक एकल हाइब्रिड इकाई के रूप में व्यवहार करने लगे। इस मजबूत जुड़ाव ने क्रिस्टल के भीतर ऊर्जा के परिदृश्य को पूरी तरह से बदल दिया। इस तरह, बेकार ट्रिपलेट पैकेट फंसने और जमा होने के बजाय, नए ऊर्जा ढांचे ने उन्हें वापस उपयोगी प्रकाश में बदलने के लिए एक तेज़, खुले हाईवे की तरह काम किया।
इस दृष्टिकोण के परिणाम नाटकीय थे। बिना इस विशेष दर्पण बॉक्स वाले मानक सेटअप में, बेकार ऊर्जा पैकेट एक हजार नैनोसेकंड से अधिक समय तक रहते, जिससे अंततः लेजर खत्म हो जाता। नए डिवाइस में, शोधकर्ताओं ने देखा कि इन पैकेटों को केवल 75 नैनोसेकंड में साफ कर दिया गया था। इस तीव्र सफाई ने उस संचय को रोक दिया जो आमतौर पर लेजर को काम करने से रोकता है। फलस्वरूप, डिवाइस ने वैक्यूम में बैठे हुए कमरे के तापमान पर एक स्थिर, निरंतर प्रकाश बीम प्राप्त की, जो एक ऐसी स्थिति है जहाँ पिछले प्रयास विफल रहे थे। लेजर को शुरू करने के लिए बहुत कम शक्ति की आवश्यकता थी, केवल 0.45 वॉट प्रति वर्ग सेंटीमीटर, और इसने इतनी सटीक बीम बनाई कि यह दो-दशमांश डिग्री से भी कम फैलती थी। सबसे प्रभावशाली बात यह थी कि जब टीम ने लेजर को 3,600 सेकंड तक चलने दिया, तो इसने अपनी मूल चमक का 95 प्रतिशत बनाए रखा, जिससे साबित हुआ कि यह तंत्र दीर्घकालिक उपयोग के लिए पर्याप्त मजबूत था।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह केवल एक विशिष्ट सामग्री के साथ कोई भाग्यशाली दुर्घटना नहीं थी, टीम ने उसी दर्पण-बॉक्स तकनीक का परीक्षण दो अन्य सामान्य पेरोव्स्काइट सामग्रियों पर किया। दोनों मामलों में, बेकार ऊर्जा पैकेटों का जीवनकाल काफी कम हो गया, जिससे पुष्टि हुई कि यह विधि विभिन्न प्रकार के क्रिस्टल पर काम करती है। शोधकर्ताओं ने अन्य संभावित स्पष्टीकरणों को भी खारिज कर दिया, जैसे कि दर्पणों द्वारा केवल प्रकाश को बेहतर तरीके से पकड़ना या ऑक्सीजन की उपस्थिति द्वारा पैकेटों को साफ करने में मदद करना। उन्होंने दिखाया कि प्रकाश और पदार्थ के बीच मजबूत जुड़ाव द्वारा प्रदान किए गए विशिष्ट ऊर्जा पुनर्गठन के बिना, लेजर विफल हो जाता, भले ही दर्पण समान होते। अध्ययन बताता है कि ऊर्जा के लिए एक नया रास्ता बनाने के लिए इस मजबूत युग्मन (coupling) का उपयोग करके, वैज्ञानिक एक प्रमुख नुकसान तंत्र को एक संसाधन में बदल सकते हैं। यह खोज सस्ते, प्रिंटेबल प्रकाश स्रोतों के निर्माण के लिए अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रो-पम्प्ड लेजर बनाने के लिए एक सामान्य रणनीति प्रदान करती है।
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