Cooperative effects in a material with two distributions of metallic nanoparticles
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सिल्वर और गोल्ड नैनोपार्टिकल की दोहरी परतों वाले सिलिका मैट्रिसेस में इंटरलेयर दूरी और आपतन दिशा (इंसिडेंस डायरेक्शन) को इंजीनियर करना ट्यूनेबल, नॉन-रेसिप्रोकल रैखिक और गैर-रैखिक ऑप्टिकल प्रतिक्रियाओं को सक्षम बनाता है, जिसमें अल्ट्राफास्ट फोटोनिक अनुप्रयोगों के लिए सैचुरेबल एब्जॉर्प्शन और नेगेटिव नॉनलीनियर रिफ्रैक्शन शामिल हैं।
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प्रकाश आधुनिक दुनिया का परम संदेशवाहक है, जो हमारे डेटा, छवियों और आवाजों को ऐसी गति से ले जाता है जिसका इलेक्ट्रॉनिक उपकरण अब मुकाबला नहीं कर सकते। अगली पीढ़ी के अति-तीव्र संचार और कंप्यूटिंग के निर्माण के लिए, वैज्ञानिक प्रकाश को केवल एक किरण के रूप में नहीं, बल्कि एक ऐसी शक्ति के रूप में नियंत्रित करना सीख रहे हैं जिसे उन सामग्रियों द्वारा मोड़ा, स्विच किया और आकार दिया जा सकता है जिनसे वह गुजरती है। इसके लिए ऐसी सामग्रियों की आवश्यकता होती है जो इस आधार पर अलग-अलग प्रतिक्रिया दें कि प्रकाश कितना उज्ज्वल है। सरल शब्दों में, एक रैखिक (linear) सामग्री मंद प्रकाश और तीव्र प्रकाश के साथ एक जैसा व्यवहार करती है, लेकिन एक अरैखिक (nonlinear) सामग्री का व्यवहार तब बदल जाता है जब प्रकाश तीव्र हो जाता है। चुनौती हमेशा ऐसी सामग्रियां खोजने की रही है जो इतनी शक्तिशाली लेजर बीम की आवश्यकता के बिना ये नाटकीय परिवर्तन दिखा सकें जो उपकरण को नष्ट कर सकती हैं। कांच में सूक्ष्म धात्विक कणों को समाहित करके, शोधकर्ता एक ऐसा "स्वीट स्पॉट" बना सकते हैं जहाँ धातु के इलेक्ट्रॉन प्रकाश की आवृत्ति के साथ तालमेल बिठाकर नाचते हैं, जिससे परस्पर क्रिया (interaction) बढ़ जाती है और सामग्री प्रकाश की तीव्रता के प्रति बहुत अधिक संवेदनशील हो जाती है।
मेक्सिको के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस अवधारणा को एक कदम आगे बढ़ाते हुए इन धात्विक कणों की दो अलग-अलग परतों वाली एक सामग्री बनाई है, जो सटीक दूरियों से अलग हैं। उन्होंने तीन नमूने बनाए, जिनमें से प्रत्येक एक सिलिका ग्लास मैट्रिक्स से बना था जिसमें नैनोकणों की दो अलग-अलग परतें थीं: एक सोने (gold) की परत और दूसरी चांदी (silver) की। तीनों नमूनों में एकमात्र अंतर सोने की परत और चांदी की परत के बीच की दूरी थी। इन संरचनाओं को बनाने के लिए, उन्होंने एक कण त्वरक (particle accelerator) का उपयोग किया ताकि आयनों को कांच में छोड़ा जा सके, जिससे धातु के परमाणुओं को सामग्री के भीतर छोटे गोलों में क्लस्टर होने के लिए मजबूर किया जा सके। आयनों की ऊर्जा को बदलकर, वे ठीक से नियंत्रित कर सके कि चांदी की परत सोने की परत के सापेक्ष कितनी गहरी स्थित है, जिससे दो धातु परतों के बीच अलग-अलग अंतराल वाले तीन अलग-अलग "सैंडविच" तैयार हुए।
इसके बाद शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों के परीक्षण के लिए अल्ट्राफास्ट लेजर पल्स का उपयोग किया, जिसमें एक ऐसी तकनीक का प्रयोग किया गया जो नमूने को लेजर बीम के फोकस के माध्यम से ले जाती है ताकि यह मापा जा सके कि प्रकाश कैसे मुड़ता है और अवशोषित होता है। उन्होंने पाया कि सभी नमूनों ने लेंस के रूप में कार्य किया जिसने प्रकाश को विसरित (defocus) कर दिया, जिसे नकारात्मक अरैखिक अपवर्तन (negative nonlinear refraction) कहा जाता है। हालांकि, इस प्रभाव की ताकत दो धातु परतों के बीच की दूरी पर बहुत अधिक निर्भर थी। एक विशिष्ट नमूना, जिसमें परतें एक मध्यम दूरी पर थीं, ने केवल सोने वाले नमूने की तुलना में तीन गुना अधिक मजबूत अरैखिक प्रतिक्रिया दिखाई। यह सुझाव देता है कि दोनों प्रकार की धातुएं मिलकर काम कर रही हैं, या सहयोग कर रही हैं, ताकि प्रकाश को नियंत्रित करने की सामग्री की क्षमता को बढ़ाया जा सके, लेकिन केवल तभी जब वे सही दूरी पर हों। यदि परतें बहुत दूर या बहुत पास हैं, तो यह सहयोगात्मक वृद्धि कम हो जाती है।
सबसे आश्चर्यजनक खोज शायद यह थी कि सामग्री इस बात पर अलग तरह से व्यवहार करती थी कि प्रकाश पहले किस तरफ से टकराता है। जब लेजर बीम चांदी की परत के माध्यम से प्रवेश करती थी और फिर सोने से गुजरती थी, तो सामग्री ने प्रकाश का एक विशिष्ट प्रकार का अवशोषण दिखाया जिससे तीव्रता बढ़ने के साथ अधिक प्रकाश गुजर सका। लेकिन जब प्रकाश विपरीत दिशा से आता था, यानी पहले सोने से टकराता था, तो वही अवशोषण प्रभाव पूरी तरह से गायब हो जाता था, और सामग्री तीव्रता के परिवर्तनों के प्रति पारदर्शी हो जाती थी। यह एक दुर्लभ घटना है जिसे गैर-पारस्परिकता (non-reciprocal behavior) कहा जाता है, जिसका अर्थ है कि सामग्री प्रकाश के लिए एकतरफा सड़क की तरह कार्य करती है। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि ऐसा इसलिए होता है क्योंकि सोने की परत अपने आप में काफी प्रकाश अवशोषित करती है; जब प्रकाश पहले सोने से टकराता है, तो वह चांदी तक पहुँचने से पहले ही मंद हो जाता है, जिससे चांदी प्रतिक्रिया करने में असमर्थ हो जाती है। जब प्रकाश पहले चांदी से टकराता है, तो वह सोने के मंद होने से पहले ही मजबूती से प्रतिक्रिया करता है।
गर्मी के प्रभावों और स्वयं इलेक्ट्रॉनों के प्रभावों को सावधानीपूर्वक अलग करके, टीम ने पुष्टि की कि हालांकि सामग्री गर्म होती है और समय के साथ अपने ऑप्टिकल गुणों को बदल देती है, लेकिन एक बहुत तेज़, इलेक्ट्रॉनिक प्रतिक्रिया भी होती है जो लगभग तुरंत होती है। एक मजबूत, ट्यून करने योग्य प्रतिक्रिया और एकतरफा व्यवहार का यह संयोजन बताता है कि इन स्तरित संरचनाओं का उपयोग ऑप्टिकल डायोड बनाने के लिए किया जा सकता है—ऐसे उपकरण जो प्रकाश को केवल एक दिशा में बहने देते हैं, जो भविष्य के ऑप्टिकल कंप्यूटरों के लिए एक महत्वपूर्ण घटक है। यह अध्ययन सिद्ध करता है कि केवल दो अलग-अलग प्रकार के धात्विक नैनोकणों के बीच की दूरी को समायोजित करके, वैज्ञानिक यह नियंत्रित कर सकते हैं कि एक सामग्री प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती है, जिससे जटिल या महंगी मशीनरी की आवश्यकता के बिना स्मार्ट, तेज़ और अधिक कुशल फोटोनिक उपकरणों को डिजाइन करने का मार्ग प्रशस्त होता है।
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