White-light driven photoluminescence from a few nanoplatelets in a plasmonic nanogap

प्रकाश लंबे समय से दुनिया को देखने का एक उपकरण रहा है, लेकिन बहुत सूक्ष्म जगत के क्षेत्र में, यह चीजें बनाने का भी एक उपकरण है। दशकों से, वैज्ञानिक प्रकाश उत्सर्जक उपकरणों (light-emitting devices) को एक एकल अणु के पैमाने तक छोटा करने की कोशिश कर रहे हैं, ताकि अति-कुशल चिप्स बनाए जा सकें जो तेज़ कंप्यूटरों से लेकर चिकित्सा सेंसरों तक सब कुछ संचालित कर सकें। इस खोज में एक प्रमुख बाधा शक्ति स्रोत (power source) रही है। इन नन्हे उत्सर्जकों को चमकाने के लिए, शोधकर्ता लगभग हमेशा लेजर पर निर्भर रहे हैं—जो सुसंगत प्रकाश (coherent light) की तीव्र, केंद्रित किरणें होती हैं। हालांकि लेजर शक्तिशाली होते हैं, लेकिन वे भारी, महंगे और साधारण, रोजमर्रा के उपकरणों में एकीकृत करने में कठिन होते हैं। सपना यह रहा है कि इन जटिल लेजरों को साधारण, असंगत प्रकाश (incoherent light) से बदल दिया जाए, जैसे कि लैंप या सूर्य का प्रकाश। हालांकि, एक मौलिक समस्या रास्ते में खड़ी रही है: एक एकल अणु या कुछ परमाणु इतने छोटे होते हैं कि वे बहुत कम प्रकाश अवशोषित करते हैं। जब वे लैंप की विसरित चमक में नहाए होते हैं, तो वे दृश्य संकेत उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा अवशोषित नहीं कर पाते, विशेष रूप से तब जब वह संकेत प्रकाश स्रोत की चमक में दब जाता है।

सिंगापुर और डेनमार्क के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस बाधा को पार करने का एक तरीका प्रदर्शित किया है, यह दिखाते हुए कि कुछ छोटे क्रिस्टल को केवल एक मानक लैंप या यहाँ तक कि केंद्रित सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके चमकाया जा सकता है। उन्होंने इसे एक धातु से बने सूक्ष्म पिंजरे के भीतर क्रिस्टल को फंसाकर हासिल किया, जिसे प्लाज्मोनिक नैनोगैप (plasmonic nanogap) नामक संरचना कहा जाता है। इस सेटअप में, एक चांदी का घन (silver cube) सोने के दर्पण के कुछ नैनोमीटर ऊपर स्थित होता है, जिससे उनके बीच एक छोटा सा अंतराल (gap) बन जाता है। जब प्रकाश इस संरचना से टकराता है, तो यह केवल टकराकर वापस नहीं लौटता; इसके बजाय, धातु की सतह प्रकाश तरंगों को पकड़ लेती है, उन्हें उस छोटे से अंतराल में सिकोड़ देती है और वहां विद्युत क्षेत्र (electric field) को अविश्वसनीय रूप से तीव्र बना देती है। यह तीव्र क्षेत्र प्रकाश के लिए एक आवर्धक लेंस (magnifying glass) की तरह कार्य करता है, जो आने वाले प्रकाश और अंतराल के भीतर रखे गए क्रिस्टल के बीच की अंतःक्रिया को बढ़ाता है। शोधकर्ताओं ने सेमीकंडक्टर नैनोप्लेटलेट्स—जो केवल चार नैनोमीटर मोटे चपटे, वर्गाकार क्रिस्टल हैं—की कुछ परतें इस अंतराल में रखीं। एक हैलोजन लैंप की केंद्रित किरण के तहत, ये कुछ क्रिस्टल एक चमकीला, विशिष्ट लाल प्रकाश उत्सर्जित करने लगे जो नग्न आंखों से स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहा था, जो कि बिना लेजर के पहले असंभव माना जाता था।

इस खोज का महत्व इस बात में निहित है कि प्रकाश कैसे उत्पन्न और पता लगाया जाता है। आमतौर पर, जब वैज्ञानिक सूक्ष्मदर्शी के नीचे ऐसी धातु की संरचना को देखते हैं, तो उन्हें केवल धातु से बिखरने वाला प्रकाश दिखाई देता है, जो एक विस्तृत, धुंधली पृष्ठभूमि बनाता है। छोटी क्रिस्टल द्वारा उत्सर्जित वास्तविक प्रकाश आमतौर पर इस पृष्ठभूमि के मुकाबले इतना कमजोर होता है कि देखा न जा सके, विशेष रूप से जब उत्तेजना स्रोत (excitation source) एक तीक्ष्ण लेजर के बजाय एक विस्तृत-स्पेक्ट्रम लैंप हो। इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने पाया कि क्रिस्टल द्वारा उत्सर्जित लाल प्रकाश न केवल मौजूद था बल्कि स्पेक्ट्रम में स्पष्ट रूप से उभरने के लिए पर्याप्त मजबूत भी था। उन्होंने कई नियंत्रण प्रयोगों (control experiments) के माध्यम से इसकी पुष्टि की। जब उन्होंने चमकने की क्षमता को नष्ट करने के लिए क्रिस्टल को गर्म किया, तो स्पेक्ट्रम में लाल शिखर (red peak) गायब हो गया, जिससे केवल धातु का प्रकीर्णन हस्ताक्षर (scattering signature) ही बचा। जब उन्होंने चांदी के घनों के आकार को इस तरह बदला कि अंतराल अब उस रंग से मेल नहीं खा सका जिसे क्रिस्टल उत्सर्जित करना चाहते थे, तो लाल शिखर फिर से गायब हो गया। इन परीक्षणों ने सिद्ध किया कि प्रकाश वास्तव में क्रिस्टल से आ रहा था और यह धातु की संरचना का कोई कृत्रिम प्रभाव (artifact) नहीं था।

इस खोज के सबसे आश्चर्यजनक पहलुओं में से एक इस प्रक्रिया की दक्षता है। प्रयोग में उपयोग किए गए क्रिस्टल सोने के दर्पण पर सपाट उन्मुख (oriented) हैं, जो एक ऐसी स्थिति है जिसमें ऊपर से आने वाले प्रकाश के साथ उन्हें उत्तेजित करना आमतौर पर बहुत कठिन होता है। टीम द्वारा किए गए सैद्धांतिक सिमुलेशन ने खुलासा किया कि इस अक्षमता को कैसे दूर किया गया। चांदी के घन से टकराने वाला प्रकाश अंतराल के भीतर ऊर्जा का एक जटिल पैटर्न बनाता है। जबकि मुख्य प्रकाश किरण धातु के साथ इस तरह से अंतःक्रिया करती है कि एक मजबूत ऊर्ध्वाधर क्षेत्र (vertical field) बनता है, यह क्षेत्र धातु के भीतर अन्य, छिपे हुए कंपन मोड (modes of vibration) को भी सक्रिय करता है। ये छिपे हुए मोड धातु के भीतर क्षैतिज रूप से चलने वाले मजबूत विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करते हैं। चूंकि क्रिस्टल चपटे हैं, इसलिए उनके आंतरिक ऊर्जा वाहक, जिन्हें एक्सिटोन (excitons) कहा जाता है, भी क्षैतिज रूप से उन्मुख होते हैं। अंतराल में मौजूद छिपे हुए क्षैतिज क्षेत्र क्रिस्टल के ओरिएंटेशन से पूरी तरह मेल खाते हैं, जिससे वे प्रकाश ऊर्जा को कुशलतापूर्वक अवशोषित करने और उसे एक चमकीली चमक के रूप में पुन: उत्सर्जित करने में सक्षम होते हैं। यह तंत्र एक ऐसी ज्यामिति को एक अत्यधिक प्रभावी प्रकाश स्रोत में बदल देता है जो अन्यथा एक बंद रास्ता साबित होती।

शोधकर्ताओं ने यह भी मापा कि लैंप की शक्ति बढ़ाने पर लाल प्रकाश की चमक कैसे बदलती है। उन्होंने पाया कि लाल प्रकाश लैंप की चमक के सीधे अनुपात में बढ़ा, जो मानक प्रकाश उत्सर्जन, या फोटोल्यूमिनेसेंस (photoluminescence) की विशेषता है। इस रैखिक संबंध ने पुष्टि की कि प्रकाश किसी विलक्षण, गैर-रैखिक प्रभाव का परिणाम नहीं था बल्कि एक सुदृढ़, अनुमानित उत्सर्जन प्रक्रिया थी। प्रकाश की तीव्रता इतनी अधिक थी कि शोधकर्ता केंद्रित हैलोजन लैंप द्वारा प्रकाशित होने पर नमूने पर एक लाल धब्बे को अपनी आँखों से देख सकते थे। एक प्रभावशाली प्रदर्शन में, उन्होंने यह भी दिखाया कि केंद्रित सूर्य के प्रकाश से प्रकाशित होने पर नमूना लाल रंग में चमकता है, जिससे सिद्ध होता है कि यह प्रभाव प्राकृतिक, परिवेशी प्रकाश स्रोतों के साथ काम करता है। प्रकाश इतना उज्ज्वल था कि इसे बिना किसी विशेष उपकरण के देखा जा सकता था, जो ऐसे छोटे सिस्टम में समान प्रभावों को देखने के लिए आवश्यक हजारों गुना अधिक तीव्र प्रकाश के बिल्कुल विपरीत है।

यह कार्य प्रकाश-आधारित प्रौद्योगिकियों को विकसित करने के लिए एक नया मार्ग सुझाता है जो लेजर पर निर्भर नहीं हैं। चपटे क्रिस्टल की एक सरल, स्व-संयोजित परत को एक धातु नैनोकैविटी के साथ जोड़कर, एक ऐसा उपकरण बनाया जा सकता है जो साधारण प्रकाश को एक विशिष्ट रंग में परिवर्तित कर सके। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इन संरचनाओं से उत्सर्मित प्रकाश केवल एक वैज्ञानिक जिज्ञासा नहीं है, बल्कि भविष्य के उपकरणों के लिए एक संभावित निर्माण खंड (building block) भी है। चूंकि उत्सर्जन अंतराल के भीतर के वातावरण के प्रति बहुत संवेदनशील है, इसलिए ये संरचनाएं परिवेशी प्रकाश से संचालित होने वाले सेंसर के रूप में भी कार्य कर सकती हैं। इन नैनोस्केल उत्सर्जकों को लैंप या सूर्य से संचालित करने की क्षमता, लेजर के बजाय, सरल, सस्ते और अधिक एकीकृत फोटोनिक उपकरणों के द्वार खोलती है। अध्ययन दिखाता है कि सही डिजाइन के साथ, कमजोर प्रकाश स्रोतों की सीमाओं को दूर किया जा सकता है, जिससे हमारे चारों ओर मौजूद प्रकाश के साथ एकल अणुओं की सूक्ष्म दुनिया को देखा और उपयोग किया जा सकता है।