Valley-Dependent Photogating-Controlled Quantum Transport in Monolayer Transition Metal Dichalcogenides

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ पदार्थ के सबसे छोटे निर्माण खंड केवल ठोस गोले नहीं, बल्कि पतली, लचीली चादरें हैं जिन्हें प्रकाश से नियंत्रित किया जा सकता है। आधुनिक भौतिकी के क्षेत्र में, वैज्ञानिक लंबे समय से द्वि-आयामी (two-dimensional) अर्धचालकों से मंत्रमुग्ध रहे हैं, जो ऐसे पदार्थ हैं जो इतने पतले हैं कि वे केवल एक परमाणु की मोटाई के हैं। ये सामग्रियां, जिन्हें ट्रांजिशन मेटल डाइचैल्कोजेनाइड्स (transition metal dichalcogenides) के रूप में जाना जाता है, एक अनूठा गुण रखती हैं: वे प्रकाश के संपर्क में आने पर सूक्ष्म, अदृश्य जेबों में विद्युत आवेशों को फंसा सकती हैं। यह फंसा हुआ आवेश केवल गायब नहीं होता; इसके बजाय, यह एक स्थायी विद्युत क्षेत्र बनाता है, जो एक छिपे हुए गेट की तरह कार्य करता है जो अन्य इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के मार्ग को खोल या बंद कर सकता है। इस घटना को 'फोटोगेटिंग' (photogating) कहा जाता है, जो पारंपरिक तारों और बैटरियों के बजाय प्रकाश का उपयोग करके बिजली को नियंत्रित करने का एक तरीका प्रदान करती है। शोधकर्ता जिस प्रश्न को पूछ रहे थे वह यह था कि क्या यह प्रकाश-प्रेरित गेट इतना मजबूत हो सकता है कि बिना किसी बाहरी बैटरी के इलेक्ट्रॉनों को चलाने के लिए स्वयं करंट पैदा कर सके, और क्या यह एक विशिष्ट, उपयोगी व्यवहार बना सकता है जहाँ प्रकाश बढ़ाने से वास्तव में करंट कम हो जाता है।

तेब्रिज़ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस संभावना की खोज करने के लिए दो ऐसी सामग्रियों, मोनोलेयर टंगस्टन डिसेलेनाइड और मोनोलेयर मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड का एक विस्तृत सैद्धांतिक मॉडल तैयार किया। उन्होंने इस विशिष्ट अध्ययन के लिए प्रयोगशाला में कोई भौतिक उपकरण नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने उन्नत गणित का उपयोग यह सिम्युलेट करने के लिए किया कि प्रकाश के प्रभाव में ये परमाणु-पतली चादरें वास्तव में कैसे व्यवहार करेंगी। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या फंसी हुई प्रकाश-निर्मित आवेशों द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को चलाने के लिए एकमात्र इंजन के रूप में कार्य कर सकता है। उन्होंने शून्य से लेकर आठ मिलीवोल्ट तक के सूक्ष्म वोल्टेज परिवर्तनों की एक सीमा पर ध्यान केंद्रित किया, जो फंसी हुई आवेशों के कारण विद्युत क्षमता में होने वाले सूक्ष्म बदलावों का प्रतिनिधित्व करते हैं। शोधकर्ता यह समझना चाहते थे कि क्या यह आंतरिक विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को इस तरह से नियंत्रित कर सकता है कि यह "नेगेटिव डिफरेंशियल रेजिस्टेंस" (negative differential resistance) उत्पन्न करे, जो एक विरोधाभासी प्रभाव है जहाँ ड्राइविंग फोर्स बढ़ने पर भी करंट घट जाता है।

सिमुलेशन ने खुलासा किया कि उत्तर 'हाँ' है। जब शोधकर्ताओं ने अपनी आभासी सामग्रियों पर प्रकाश डाला, तो प्रकाश ने इलेक्ट्रॉनों और होल्स (holes) के जोड़े उत्पन्न किए। इनमें से कुछ कण सामग्री के भीतर दोषों (defects) में फंस गए, जिससे एक स्थिर विद्युत क्षेत्र बना जिसने एक आंतरिक गेट के रूप में कार्य किया। इस गेट ने सामग्री के ऊर्जा स्तरों को बदल दिया, जिससे अन्य इलेक्ट्रॉनों के यात्रा करने के लिए उपलब्ध पथ को प्रभावी ढंग से ट्यून किया गया। जैसे-जैसे शोधकर्ताओं ने इस फोटोगेटिंग प्रभाव की शक्ति को बढ़ाया, सामग्री के माध्यम से बहने वाला करंट एक सीधी रेखा में नहीं बढ़ा। इसके बजाय, यह तेजी से बढ़ा और फिर गिर गया, जिससे चोटियों (peaks) और घाटियों (valleys) का एक विशिष्ट पैटर्न बना। यह गैर-रेखीय व्यवहार नेगेटिव डिफरेंशियल रेजिस्टेंस की पहचान है। करंट लगभग 0.2 माइक्रोएम्पीयर के अधिकतम स्तर पर पहुँचा, जो पूरी तरह से प्रकाश और फंसी हुई आवेशों की परस्पर क्रिया से उत्पन्न बिजली की एक छोटी लेकिन महत्वपूर्ण मात्रा है, जिसमें डिवाइस से कोई बाहरी बैटरी नहीं जुड़ी थी।

सबसे आश्चर्यजनक निष्कर्षों में से एक यह था कि सामग्री ने उपयोग किए गए प्रकाश की विशिष्ट "हैंडेडनेस" (handedness) के प्रति कैसी प्रतिक्रिया दी। प्रकाश ध्रुवीकृत (polarized) हो सकता है, जिसका अर्थ है कि इसकी तरंगें एक विशिष्ट दिशा में कंपन करती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि दाएँ हाथ के गोलाकार ध्रुवीकृत (right-handed circularly polarized) प्रकाश ने सामग्री की एक संरचना के दूसरे संस्करण की तुलना में बहुत अधिक मजबूती से प्रतिक्रिया की। इससे इस बात में भारी अंतर आया कि कितने आवेश फंसे और परिणामस्वरूप विद्युत क्षेत्र कितना मजबूत हुआ। टंगस्टन-आधारित सामग्री के लिए, प्रकाश का अवशोषण इतना तीव्र था कि इसने लगभग 1.3 x 10^12 प्रति वर्ग सेंटीमीटर का फंसा हुआ आवेश घनत्व बनाया। इसके परिणामस्वरूप मोलिब्डेनम-आधारित सामग्री की तुलना में इलेक्ट्रॉन प्रवाह पर बहुत अधिक नियंत्रण प्राप्त हुआ, जिसकी प्रतिक्रिया कमजोर थी। अध्ययन ने दिखाया कि प्रकाश के ध्रुवीकरण को बदलकर, एक व्यक्ति डिवाइस के विद्युत आउटपुट को ट्यून कर सकता है, प्रभावी रूप से प्रकाश को बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करने वाले स्विच के रूप में उपयोग कर सकता है।

शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि इन सामग्रियों की आंतरिक संरचना ने एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। इन चादरों में परमाणु इस तरह व्यवस्थित होते हैं कि वे इलेक्ट्रॉन के स्पिन और उसके पथ के बीच एक मजबूत संबंध बनाते हैं, जिसे स्पिन-ऑर्बिट कपलिंग (spin-orbit coupling) नामक गुण कहा जाता है। टंगस्टन-आधारित सामग्री में, यह प्रभाव बहुत मजबूत है, जो इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा स्तरों को महत्वपूर्ण रूप से विभाजित करता है। इस विभाजन ने इलेक्ट्रॉनों के यात्रा करने के लिए दो अलग-अलग चैनल बनाए, और फोटोगेटिंग प्रभाव ने इन चैनलों को इस तरह से स्थानांतरित किया जिससे करंट में देखी गई चोटियाँ और घाटियाँ उत्पन्न हुईं। मोलिब्डेनम-आधारित सामग्री में, यह विभाजन बहुत कमजोर था, जिससे कम नाटकीय प्रतिक्रिया हुई। सिमुलेशन ने दिखाया कि करंट के उतार-चढ़ाव यादृच्छिक शोर (random noise) नहीं थे, बल्कि सामग्री के माध्यम से चलते समय एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप करने वाली क्वांटम मैकेनिकल तरंगों का परिणाम थे, जो एक ऐसा व्यवहार है जो केवल परमाणु स्तर पर ही संभव है।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि फंसी हुई आवेशों का उपयोग करके एक स्व-स्थायी विद्युत क्षेत्र बनाने की यह प्रक्रिया क्वांटम ट्रांसपोर्ट को नियंत्रित करने का एक व्यवहार्य तरीका है। शोधकर्ताओं ने गणना की कि उनके सिमुलेशन में उच्चतम और निम्नतम करंट बिंदुओं के बीच का अनुपात 1.01 और 1.03 के बीच था। हालांकि यह संख्या आज के कंप्यूटरों में पाए जाने वाले ट्रांजिस्टर की तुलना में छोटी लग सकती है, लेकिन इसका महत्व इस तथ्य में निहित है कि संपूर्ण प्रभाव प्रकाश और फंसी हुई आवेशों द्वारा संचालित था, बिना किसी बाहरी वोल्टेज स्रोत के जो करंट को धक्का दे सके। यह अल्ट्रा-लो-पावर इलेक्ट्रॉनिक घटकों के निर्माण के लिए एक नया मार्ग सुझाता है। यदि इस व्यवहार को वास्तविक उपकरणों में दोहराया जा सका, तो यह पूरी तरह से प्रकाश द्वारा नियंत्रित स्विच, सेंसर और मेमोरी यूनिट्स की ओर ले जा सकता है, जो भविष्य में सूचना प्रसंस्करण के तरीके में क्रांति ला सकता है। यह कार्य परमाणु-पतली सामग्रियों में इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह को सीधे विनियमित करने के लिए प्रकाश का उपयोग करने के लिए एक स्पष्ट भौतिक आधार स्थापित करता है, जो उन ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की एक नई श्रेणी के द्वार खोलता है जो आज के कंप्यूटरों में पाए जाने वाले ट्रांजिस्टरों से मौलिक रूप से भिन्न सिद्धांतों पर कार्य करते हैं।