Deep-Subwavelength Plasmon Polariton Atomic Cavity Nano-detector for Polarimetric Terahertz Detection and Imaging
यह शोध पत्र एक कमरे के तापमान वाले, डीप-सबवेवलेंथ प्लास्मोन पोलरिटोन परमाणु कैविटी नैनो-डिटेक्टर का प्रस्ताव करता है जो लघुकृत, बहु-पैरामीटर और अतिशीघ्र टेराहर्ट्ज़ डिटेक्शन और इमेजिंग को सक्षम बनाता है, विशेष रूप से 0.3 THz से ऊपर की उच्च-आवृत्ति शासन में।
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टेराहर्ट्ज़ विकिरण विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के एक अद्वितीय और अक्सर कठिन-से-पहुंच वाले कोने में स्थित है, जो वाई-फाई में उपयोग किए जाने वाले माइक्रोवेव और ऊष्मा के रूप में महसूस होने वाली इन्फ्रारेड रोशनी के बीच में है। यह ऊर्जा बैंड मूल्यवान है क्योंकि यह जीवित ऊतकों को नुकसान पहुंचाए बिना कपड़ों, प्लास्टिक और कार्डबोर्ड जैसी कई सामान्य सामग्रियों के माध्यम से गुजर सकता है, फिर भी यह धातुओं से टकराता है और रसायनों की आणविक संरचना के साथ अंतःक्रिया करता है। यह इसे सीलबंद पैकेटों के भीतर देखने, छिपे हुए दोषों के लिए माइक्रोचिप्स का निरीक्षण करने या विस्तृत सुरक्षा चित्र बनाने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण बनाता है। हालाँकि, इस विकिरण को प्रभावी ढंग से पकड़ना लंबे समय से एक चुनौती रहा है। पारंपरिक सेंसर अक्सर भारी होते हैं, उन्हें काम करने के लिए जमा देने वाले तापमान की आवश्यकता होती है, या वे तेज़ गति वाली घटनाओं को पकड़ने के लिए बहुत धीमे होते हैं। इसके अलावा, आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स की सूक्ष्म विशेषताओं की तुलना में टेराहर्ट्ज़ तरंगें इतनी लंबी होती हैं कि, एक सेंसर को सूक्ष्म आकार तक सिकोड़ने से आमतौर पर वह तरंगों को "महसूस" करने की अपनी क्षमता खो देता है, क्योंकि तरंग और डिटेक्टर के बीच की अंतःक्रिया मापने के लिए बहुत कमजोर हो जाती है।
सन यत-सेन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार का सेंसर विकसित किया है जो अत्यधिक लघुकरण (मिनिएचराइजेशन) और प्रकाश-फँसाने वाली ज्यामिति के चतुर उपयोग को जोड़कर इन बाधाओं को दूर करता है। उन्होंने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो इतना छोटा है कि यह उस टेराहर्ट्ज़ प्रकाश के तरंगदैर्ध्य (वेवलेंथ) से लगभग साठ गुना छोटा स्थान घेरता है जिसे वह पता लगाता है, फिर भी यह अत्यधिक संवेदनशील और तेज़ बना रहता है। इस आविष्कार का मूल कार्बन की एक सपाट, परमाणु-पतली परत है जिसे ग्राफीन कहा जाता है, जिसे विशिष्ट छोटे आयताकार आकारों के एक विशेष सरणी (एरे) में ढाला गया है। जब टेराहर्ट्ज़ तरंगें इन आयतों से टकराती हैं, तो तरंगें छोटे अंतराल के भीतर फंस जाती हैं और केंद्रित हो जाती हैं, ठीक वैसे ही जैसे एक छोटे कमरे में ध्वनि बढ़ती है। यह संकेंद्रण प्रकाश को ग्राफीन के साथ मजबूती से अंतःक्रिया करने के लिए मजबूर करता है, भले ही सामग्री अविश्वसनीय रूप से पतली हो। इस उपकरण को काम करने के लिए बाहरी लेंसों या भारी एंटेना की आवश्यकता नहीं होती है; पैटर्न वाला ग्राफीन स्वयं तरंगों को पकड़ने वाले और परिणामी संकेत को ले जाने वाले तार के रूप में कार्य करता है।
शोधकर्ताओं ने पाया कि इन आयताकार पैटर्न के आकार को बदलकर, वे सेंसर को टेराहर्ट्ज़ प्रकाश की विभिन्न आवृत्तियों (फ्रीक्वेंसी) के प्रति प्रतिक्रिया करने के लिए ट्यून कर सकते थे। अधिक महत्वपूर्ण बात यह है कि आयताकार आकार ने सेंसर को दिशा का एक अंतर्निहित बोध दिया। जिस तरह एक खिड़की तब अधिक रोशनी आने देती है जब सूरज सीधे सामने होता है बजाय इसके कि वह बगल में हो, ये सेंसर इस आधार पर मजबूती से प्रतिक्रिया करते हैं कि टेराहर्ट्ज़ तरंगें एक विशिष्ट कोण से उन पर टकराती हैं और अन्य कोणों से कमजोर होती हैं। यह डिवाइस को बिना किसी चलते हुए पुर्जे या अतिरिक्त फिल्टर के आने वाली तरंगों के ओरिएंटेशन (अभिविन्यास) को पहचानने की अनुमति देता है। अपने प्रयोगों में, टीम ने प्रदर्शित किया कि सेंसर 0.53 से 4.24 टेराहर्ट्ज़ तक की आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में तरंगों का पता लगाने में सक्षम था, और तरंग की दिशा की पहचान करने में उच्च स्तर की सटीकता रखता था।
इस कार्य की सबसे उल्लेखनीय उपलब्धियों में से एक वह गति है जिस पर सेंसर संचालित होता है। चूंकि उपकरण का सक्रिय क्षेत्र बहुत छोटा है, इसलिए अवशोषित प्रकाश से उत्पन्न ऊष्मा विद्युत संकेत में परिवर्तित होने से पहले एक बहुत कम दूरी तय करती है। यह सेंसर को केवल 230 पिकोसेकंड में प्रतिक्रिया करने की अनुमति देता है, एक ऐसा समय अंतराल जो अधिकांश मौजूदा टेराहर्ट्ज़ डिटेक्टरों की तुलना में बहुत तेज़ है। टीम ने बहुत कम संकेतों का पता लगाने की डिवाइस की क्षमता को मापा और पाया कि यह 16 पिकोवाट जैसे निम्न पावर स्तरों की भी पहचान कर सकता है, एक ऐसी संवेदनशीलता जो बहुत बड़े और अधिक जटिल सिस्टम की बराबरी करती है। यह सेंसर कमरे के तापमान पर काम करता है, जिसका अर्थ है कि इसे उन भारी कूलिंग उपकरणों की आवश्यकता नहीं है जो कई अन्य उच्च-प्रदर्शन वाले डिटेक्टरों को सीमित करते हैं।
इस तकनीक के व्यावहारिक मूल्य को सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक सीलबंद सेमीकंडक्टर चिप की छवियां लेने के लिए अपने सेंसर का उपयोग किया। चिप के भीतर चालक धातु रेखाओं और गैर-प्रवाहकीय क्षेत्रों के बीच स्पष्ट अंतर करने के लिए, यह विश्लेषण करके कि टेराहर्ट्ज़ तरंगें चिप से कैसे परावर्तित होती हैं और उनकी ध्रुवीकरण (पोलराइजेशन) कैसे बदलती है, सेंसर ने बिना चिप को खोले सब कुछ स्पष्ट कर दिया। यह क्षमता बताती है कि ऐसे सेंसरों का उपयोग नाजुक इलेक्ट्रॉनिक्स के दोषों का निरीक्षण करने या छिपी हुई संरचनाओं को देखने के लिए किया जा सकता है, जो इतने छोटे, तेज़ और सरल उपकरण के साथ पहले असंभव था। यह कार्य दर्शाता है कि परमाणु स्तर पर किसी सामग्री के आकार को सावधानीपूर्वक इंजीनियर करके, प्रकाश को उन तरीकों से व्यवहार करने के लिए प्रेरित करना संभव है जो आकार की सामान्य सीमाओं को चुनौती देते हैं, जिससे कॉम्पैक्ट, उच्च-गति वाले इमेजिंग टूल्स की एक नई पीढ़ी के द्वार खुल जाते हैं।
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