Magnet-free reconfigurable alterspin photonics at optical frequencies
यह शोध पत्र एक ऑल-डाइइलेक्ट्रिक फोटोनिक क्रिस्टल और एक तरल बूंद का उपयोग करके, बिना किसी चुंबकीय बायस के अल्टरस्पिन बनावट (alterspin texture) को गतिशील रूप से नियंत्रित करने वाले दृश्य-से-निकट-अवरक्त रेंज में पहले चुंबक-मुक्त, पुनर्गठनीय अल्टरस्पिन फोटोनिक सिस्टम को प्रदर्शित करता है।
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प्रकाश केवल चमक ही नहीं लाता; यह एक छिपा हुआ घुमाव भी साथ लाता है, जिसे 'स्पिन' (spin) के रूप में जाना जाता है। जिस प्रकार एक घूमता हुआ लट्टू घड़ी की दिशा में या घड़ी की विपरीत दिशा में घूम सकता है, उसी प्रकार प्रकाश तरंगें दो विपरीत दिशाओं में घूम सकती हैं, जिससे वैज्ञानिक रूप से 'राइट-हैंडेड' (दाहिने हाथ के समान) या 'लेफ्ट-हैंडेड' (बाएं हाथ के समान) सर्कुलर पोलराइजेशन बनता है। दशकों से, शोधकर्ता इस घुमाव को नियंत्रित करने के तरीके खोज रहे हैं, विशेष रूप से ऐसे पैटर्न बनाने के लिए जहाँ स्पिन की दिशा एक नियमित, वैकल्पिक क्रम में बार-बार बदलती हो। यह विशिष्ट व्यवस्था, जिसे 'अल्टरस्पिन टेक्सचर' (alterspin texture) कहा जाता है, चुंबकत्व की दुनिया से लिया गया एक घटनाक्रम है, जहाँ चुंबकीय स्पिन वैकल्पिक पैटर्न में संरेखित होते हैं। चुंबकीय दुनिया में, ऐसे पैटर्न बनाने के लिए आमतौर पर शक्तिशाली चुंबकों या चुंबकीय क्षेत्रों की आवश्यकता होती है। हालाँकि, जब वैज्ञानिक इस अवधारणा को प्रकाश की गति की ओर ले जाने का प्रयास करते हैं, जहाँ आवृत्तियाँ अविश्वसनीय रूप से उच्च होती हैं, तो सामान्य चुंबकीय उपकरण काम करना बंद कर देते हैं। वे चुंबकीय सामग्रियां जो इन क्षेत्रों के प्रति प्रतिक्रिया करती हैं, अप्रभावी हो जाती हैं, और प्रकाश तरंगों के पैमाने पर आवश्यक सूक्ष्म चुंबक अस्तित्व में ही नहीं होते। इसने दृश्य स्पेक्ट्रम में, जहाँ हम अपने आस-पास की दुनिया देखते हैं, प्रकाश का उपयोग करके इन वैकल्पिक स्पिन पैटर्न बनाने की हमारी क्षमता में एक कमी छोड़ दी थी।
नेशनल यूनिवर्सिटी ऑफ सिंगापुर के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब बिना किसी चुंबक के एक ऐसी प्रणाली बनाकर इस कमी को पूरा किया है जो इन वैकल्पिक स्पिन पैटर्न को उत्पन्न करती है। चुंबकीय बलों पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने सिलिकॉन नाइट्राइड की एक छोटी, निलंबित शीट बनाई, जो एक पारदर्शी सामग्री है जिसका उपयोग अक्सर इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जाता है, और इसमें वर्गाकार छिद्रों का एक सटीक ग्रिड उकेरा। यह ग्रिड एक 'फोटोनिक क्रिस्टल' के रूप में कार्य करता है, जो प्रकाश को विशिष्ट तरीकों से निर्देशित करता है। उनकी खोज की कुंजी इस बात में निहित है कि उन्होंने इस शीट के दोनों पक्षों के साथ कैसा व्यवहार किया। इस शीट के एक तरफ पानी की एक बूंद रखने और दूसरी तरफ को हवा के संपर्क में छोड़ने से, उन्होंने एक असंतुलन पैदा किया। शीट के ऊपर और नीचे के वातावरण में इस सरल अंतर ने उस विशिष्ट समरूपता (symmetry) को तोड़ दिया जो आमतौर पर प्रकाश के स्पिन को तटस्थ रखती है। इसके परिणामस्वरूप, ग्रिड से गुजरने वाला प्रकाश खुद को एक विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित करता है जहाँ एक वृत्त के चारों ओर घूमते समय स्पिन की दिशा चार बार बदल जाती है, जिससे वांछित वैकल्पिक बनावट (texture) प्राप्त होती है।
शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि यह पैटर्न केवल सामग्री की एक स्थिर विशेषता नहीं है, बल्कि कुछ ऐसा है जिसे वे सक्रिय रूप से नियंत्रित और फिर से लिख सकते हैं। स्लैब के एक तरफ से दूसरी तरफ पानी की बूंद को स्थानांतरित करके, वे स्पिन पैटर्न की दिशा को तुरंत उलट सकते थे। यदि पानी ऊपर था, तो प्रकाश एक क्रम में घूमता था; जब बूंद को नीचे ले जाया गया, तो पूरा पैटर्न विपरीत क्रम में बदल गया। वे पानी को हटाकर पैटर्न को पूरी तरह से मिटा भी सकते थे, जिससे सिस्टम उस स्थिति में वापस आ जाता था जहाँ कोई वैकल्पिक स्पिन मौजूद नहीं था। इस स्तर का नियंत्रण महत्वपूर्ण है क्योंकि इन समान प्रभावों को बनाने के पिछले प्रयास निश्चित सामग्रियों या संरचनाओं पर निर्भर थे जिन्हें एक बार बनाने के बाद बदला नहीं जा सकता था। इस नई प्रणाली में, पैटर्न वातावरण द्वारा निर्धारित होता है, जिससे तरल बूंद के हेरफेर द्वारा इसे लिखा, मिटाया और उलटा जा सकता है।
यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे वास्तव में इस घटना को देख रहे हैं और यह उनके सेटअप की कोई त्रुटि नहीं है, टीम ने 740 से 800 नैनोमीटर की रेंज में तरंग दैर्ध्य (wavelengths) के माध्यम से प्रकाश को मापा, जो दृश्य स्पेक्ट्रम के गहरे लाल भाग और निकट-इन्फ्रारेड प्रकाश को कवर करता है। उन्होंने पाया कि चार-अवधि वाला वैकल्पिक पैटर्न इस पूरी रेंज में सुसंगत बना रहा। उन्होंने इस पैटर्न की शक्ति को मापने का एक तरीका भी विकसित किया, जिससे पुष्टि हुई कि प्रभाव मजबूत और पुनरुत्पादक (reproducible) था। अध्ययन ने स्पष्ट रूप से इस विचार को खारिज कर दिया कि यह पैटर्न छिद्रों के भौतिक आकार या निर्माण में आकस्मिक खामियों के कारण था, और यह दिखाया कि प्रभाव पूरी तरह से शीट के दोनों ओर की सामग्रियों के अंतर से संचालित था। यह सिद्ध करके कि एक पूर्णतः 'ऑल-डाइलेक्ट्रिक' (all-dielectric), चुंबक-मुक्त प्रणाली इन जटिल स्पिन बनावटों को उत्पन्न और नियंत्रित कर सकती है, शोधकर्ताओं ने उन ऑप्टिकल उपकरणों को विकसित करने के लिए एक नया मार्ग खोल दिया है जिन्हें पहले चुंबकीय क्षेत्रों की आवश्यकता मानी जाती थी। यह कार्य सुझाव देता है कि प्रकाश के साथ सूचना प्रसंस्करण करने वाली भविष्य की तकनीकें जटिल, निश्चित चुंबकीय घटकों के बजाय सरल, पुनर्गठित योग्य संरचनाओं का उपयोग करके बनाई जा सकती हैं।
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