Study of Nonlinear Optical Properties of Sodium Molybdate Dihydrate Doped Hippuric Acid Single Crystal

प्रकाश को आमतौर पर एक स्थिर धारा के रूप में देखा जाता है, लेकिन सही परिस्थितियों में, इसे आश्चर्यजनक तरीकों से व्यवहार करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। जब प्रकाश की किरण पर्याप्त तीव्र होती है, तो यह अपने रंग को बदलने के लिए, अपनी आवृत्ति को दोगुना करके एक नया रंग बनाने के लिए, या अविश्वसनीय गति से चालू और बंद होने के लिए कुछ विशेष सामग्रियों के साथ परस्पर क्रिया कर सकती है। यह क्षेत्र, जिसे 'नॉनलीनर ऑप्टिक्स' (nonlinear optics) कहा जाता है, लेजर सर्जरी, हाई-स्पीड इंटरनेट और उन्नत डेटा स्टोरेज जैसी आधुनिक तकनीकों के पीछे का इंजन है। हालाँकि, इन प्रभावों का लाभ उठाने के लिए एकदम सही सामग्री खोजना एक नाजुक संतुलन बनाने जैसा है। कार्बन-आधारित अणुओं से बने ऑर्गेनिक क्रिस्टल (organic crystals), प्रकाश को मोड़ने में उत्कृष्ट होते हैं लेकिन अक्सर नाजुक और गर्मी के प्रति संवेदनशील होते हैं। धातुओं और खनिजों से बनी इनऑर्गेनिक सामग्रियां (inorganic crystals) मजबूत और स्थिर होती हैं, लेकिन उनमें अक्सर आवश्यक ऑप्टिकल लचीलेपन की कमी होती है। वैज्ञानिक लंबे समय से एक मध्य मार्ग की तलाश में रहे हैं: एक हाइब्रिड सामग्री जो दोनों दुनियाओं की सर्वश्रेष्ठ विशेषताओं को जोड़ती है, जो कार्बनिक यौगिकों की ऑप्टिकल शक्ति और अकार्बनिकों के स्थायित्व का संगम हो।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार का सिंगल क्रिस्टल विकसित करके ऐसा एक हाइब्रिड बनाने का प्रयास किया। उन्होंने एक सामान्य कार्बनिक यौगिक 'हिप्यूरिक एसिड' (hippuric acid) लिया, जो अपनी मजबूत, गैर-सममित संरचनाएं बनाने की क्षमता के लिए जाना जाता है और जो प्रकाश को नियंत्रित करने के लिए आदर्श है, और इसे 'सोडियम मोलिब्डेट डाइहाइड्रेट' नामक एक अकार्बनिक नमक के साथ मिलाया। लक्ष्य यह देखना था कि क्या अकार्बनिक नमक मिलाने से कार्बनिक क्रिस्टल की प्रकाश के साथ परस्पर क्रिया करने की क्षमता को बिगाड़े बिना उसे मजबूत किया जा सकता है। 'स्लो इवपोरेशन' (slow evaporation) नामक विधि का उपयोग करते हुए, उन्होंने दोनों पदार्थों को मेथेनॉल विलायक में घोला और तरल को कमरे के तापमान पर धीरे-धीरे वाष्पित होने दिया। एक सप्ताह के दौरान, इस प्रक्रिया ने अणुओं को लगभग नौ मिलीमीटर लंबा, पांच मिलीमीटर चौड़ा और एक मिलीमीटर मोटा ठोस, पारदर्शी क्रिस्टल बनाने के लिए व्यवस्थित होने दिया। तुलना के लिए, उन्होंने उसी तकनीक का उपयोग करके शुद्ध हिप्यूरिक एसिड क्रिस्टल भी उगाए ताकि एक आधार रेखा (baseline) के रूप में उपयोग किया जा सके।

टीम ने नई क्रिस्टल की संरचना और व्यवहार को समझने के लिए इसे कई कठोर परीक्षणों से गुजारा। सबसे पहले, उन्होंने एक्स-रे डिफ्रैक्शन (X-ray diffraction) का उपयोग किया, जो क्रिस्टल से एक्स-रे को टकराकर उसके आंतरिक परमाणु विन्यास को प्रकट करने की एक तकनीक है। परिणामों ने पुष्टि की कि नए क्रिस्टल ने, जिसे उन्होंने HS नाम दिया था, एक विशिष्ट त्रि-आयामी ग्रिड बनाया था जिसे 'ऑर्थोरोम्बिक सिस्टम' (orthorhombic system) कहा जाता है। हालांकि मूल संरचना शुद्ध हिप्यूरिक एसिड के बहुत समान थी, लेकिन मापों ने परमाणुओं के बीच की दूरी में मामूली बदलाव दिखाया, जिससे सिद्ध हुआ कि सोडियम मोलिब्डेट ने सफलतापूर्वक खुद को क्रिस्टल के ढांचे में बुन लिया है। इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (infrared spectroscopy) का उपयोग करते हुए, जो अणुओं की पहचान उनके कंपन के आधार पर करता है, यह पता चला कि कार्बनिक और अकार्बनिक भाग रासायनिक रूप से जुड़े हुए थे। क्रिस्टल में विशिष्ट कंपन थोड़े बदल गए, जो यह संकेत देते हैं कि कार्बनिक अम्ल के ऑक्सीजन परमाणु, नमक से मोलिब्डेट परमाणुओं के साथ सीधे संबंध बना रहे थे, जिससे केवल एक मिश्रण के बजाय एक एकीकृत सामग्री बन गई।

ऑप्टिकल परीक्षणों से पता चला कि नया क्रिस्टल अत्यधिक पारदर्शी था, जिससे दृश्य स्पेक्ट्रम से लेकर निकट-इन्फ्रारेड रेंज तक प्रकाश आसानी से गुजर सकता है, जिसमें 318 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य पर एक तीव्र कटऑफ होता है जहाँ से यह प्रकाश को अवशोषित करना शुरू कर देता है। यह पारदर्शिता उन उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण है जिन्हें ऊर्जा खोए बिना प्रकाश को निर्देशित करने की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने क्रिस्टल के भीतर इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की भी गणना की, और पाया कि डोप्ड (doped) संस्करण को शुद्ध संस्करण की तुलना में कम ऊर्जा की आवश्यकता थी। यह परिवर्तन बताता है कि अकार्बनिक नमक के जुड़ने से सामग्री का इलेक्ट्रॉनिक परिदृश्य बदल गया है, जिससे यह संभावित रूप से प्रकाश के प्रति अधिक प्रतिक्रियाशील हो गया है। थर्मल विश्लेषण (thermal analysis) ने दिखाया कि नया क्रिस्टल टूटने से पहले 220 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान को सहन कर सकता है, जो शुद्ध कार्बनिक क्रिस्टल की तुलना में लगभग 30 से 40 डिग्री का महत्वपूर्ण सुधार है। यह बढ़ी हुई ताप प्रतिरोध क्षमता उच्च-शक्ति लेजर प्रणालियों में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के लिए एक महत्वपूर्ण गुण है।

सबसे महत्वपूर्ण परीक्षणों में शामिल था कि क्रिस्टल ने तीव्र लेजर बीमों को कैसे संभाला। शोधकर्ताओं ने क्रिस्टल की सतह पर लेजर प्रकाश की शक्तिशाली पल्स छोड़ी ताकि यह देखा जा सके कि वे नुकसान होने से पहले कितनी ऊर्जा झेल सकते हैं। शुद्ध हिप्यूरिक एसिड क्रिस्टल ने 2.54 गीगावाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर की लेजर तीव्रता को झेला, लेकिन नए डोप्ड क्रिस्टल ने 3.13 गीगावाट प्रति वर्ग सेंटीमीटर तक का उच्च स्तर बनाए रखा। यह उच्च सीमा का अर्थ है कि नया पदार्थ कहीं अधिक मजबूत है और उस लेजर द्वारा नष्ट होने की संभावना कम है जिसका यह हेरफेर करने के लिए बनाया गया है। अंत में, टीम ने क्रिस्टल की नॉनलीनर ऑप्टिक्स प्रदर्शन करने की क्षमता का परीक्षण किया, विशेष रूप से प्रकाश की आवृत्ति को दोगुना करने की इसकी दक्षता का। जबकि शुद्ध क्रिस्टल इस कार्य में थोड़ा अधिक कुशल था, नए डोप्ड क्रिस्टल ने भी शानदार प्रदर्शन किया, जिसने उद्योग में उपयोग किए जाने वाले एक मानक संदर्भ सामग्री की दक्षता का लगभग 84 प्रतिशत प्राप्त किया।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह नया हाइब्रिड क्रिस्टल भविष्य के ऑप्टिकल उपकरणों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार है। एक कार्बनिक ढांचे में अकार्बनिक नमक को सफलतापूर्वक एकीकृत करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री बनाई जो अपने कार्बनिक पूर्ववर्ती की तुलना में अधिक मजबूत, अधिक ताप-प्रतिरोधी और लेजर क्षति के प्रति अधिक प्रतिरोधी है, जबकि इसमें प्रकाश को प्रभावी ढंग से नियंत्रित करने की क्षमता भी बरकरार है। हालांकि डोपिंग प्रक्रिया के कारण फ्रीक्वेंसी डबलिंग (frequency doubling) की दक्षता में थोड़ी कमी आई, लेकिन स्थिरता और स्थायित्व में समग्र सुधारों से पता चलता है कि यह सामग्री ऑप्टिकल स्विच और सिग्नल प्रोसेसर जैसे व्यावहारिक अनुप्रयोगों में बहुत उपयोगी हो सकती है, जहाँ प्रदर्शन के साथ-साथ विश्वसनीयता भी उतनी ही महत्वपूर्ण है। यह कार्य दर्शाता है कि कार्बनिक और अकार्बनिक घटकों को सावधानीपूर्वक संयोजित करने से ऐसी सामग्रियां प्राप्त की जा सकती हैं जो पारंपरिक कमजोरियों को दूर करती हैं, जिससे अधिक मजबूत फोटोनिक प्रौद्योगिकियों के द्वार खुलते हैं।