प्रोग्रामेबल ‘वर्चुअल’ मेटासर्फेस उन्नत इमेजिंग को तेज़ कर सकता है

स्थिर नैनोस्ट्रक्चरों से प्रोग्रामेबल ऑप्टिक्स की ओर एक बदलाव

नॉटिंघम ट्रेंट विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने जिस चीज़ को वे एक “वर्चुअल” मेटासर्फेस कहते हैं, उसका प्रदर्शन किया है। यह एक लाइट-शेपिंग प्लेटफॉर्म है, जिसे भौतिक मेटासर्फेस से जुड़ी कई भूमिकाएँ निभाने के लिए डिज़ाइन किया गया है, लेकिन उनकी एक मूल सीमा से बचते हुए: एक बार बन जाने के बाद, पारंपरिक संरचनाएँ आसानी से यह नहीं बदल सकतीं कि वे क्या करती हैं।

Advanced Photonics Nexus में प्रकाशित और Phys.org द्वारा रिपोर्ट किए गए इस काम का केंद्र एक प्रोग्रामेबल ऑप्टिकल दृष्टिकोण है, जो अल्ट्राथिन सामग्री में एम्बेड किए गए छोटे-छोटे इंजीनियर्ड कणों पर निर्भर रहने के बजाय एक समतल सतह पर द्वि-आयामी पैटर्नों का अनुकरण करता है। शोधकर्ताओं का कहना है कि यह लचीलापन मेटासर्फेस-जैसे प्रदर्शन को वास्तविक उपकरणों और उत्पादन प्रणालियों के लिए अधिक व्यावहारिक बना सकता है।

मेटासर्फेस ने इसलिए ध्यान आकर्षित किया है क्योंकि वे प्रकाश को उन तरीकों से नियंत्रित कर सकते हैं, जिन्हें पारंपरिक ऑप्टिकल घटक छोटे पैमाने पर हासिल करना कठिन पाते हैं। वे प्रकाश को मोड़ और फोकस कर सकते हैं, उसे निर्देशित कर सकते हैं, या उसका रंग बदल सकते हैं, और यह सब मानव बाल से कई गुना पतली संरचनाओं में करते हैं। यही कारण है कि कॉम्पैक्ट प्रणालियों में बड़े लेंसों, दर्पणों और फिल्टरों के विकल्प के रूप में वे आकर्षक माने जाते हैं।

लेकिन पारंपरिक मेटासर्फेस के साथ एक अंतर्निहित समझौता भी होता है। उनके आयाम और सामग्री निर्माण के दौरान ही तय हो जाते हैं। एक बार भौतिक मेटासर्फेस बन जाने के बाद, उसका ऑप्टिकल व्यवहार लगभग स्थिर हो जाता है। यह उन अनुप्रयोगों में उसकी उपयोगिता सीमित कर सकता है, जहाँ आवश्यक कार्य पल-पल बदलता है, या जहाँ एक ही प्लेटफॉर्म को आदर्श रूप से कई काम करने चाहिए।

वर्चुअल दृष्टिकोण कैसे काम करता है

नई प्रणाली एक spatial light modulator का उपयोग करती है, जो पिक्सल-दर-पिक्सल प्रकाश को नियंत्रित करने में सक्षम एक उपकरण है। प्रकाश को स्थायी रूप से निर्मित नैनोस्केल पैटर्न के भीतर या उसके पार भेजने के बजाय, यह व्यवस्था ऑप्टिकल पैटर्नों को वर्चुअली बनाती है और बहुत उच्च गति से उनके बीच स्विच कर सकती है। स्रोत पाठ के अनुसार, ये बदलाव पलक झपकने से भी तेज़ होते हैं।

यही गति इस दावे का केंद्र है। एक प्रोग्रामेबल प्लेटफॉर्म तभी वास्तव में उपयोगी है, जब वह व्यावहारिक उपयोग के लिए पर्याप्त तेज़ी से अनुकूल हो सके। इस मामले में, शोधकर्ताओं का तर्क है कि modulator-संचालित यह दृष्टिकोण एक ही उपकरण को कई ऑप्टिकल भूमिकाएँ निभाने देता है, केवल उस पैटर्न को बदलकर जिसे वह प्रोजेक्ट या लागू करता है। एक पल वह लेंस जैसा व्यवहार कर सकता है, दूसरे पल रंगों को मिला सकता है, और अगले पल अन्यथा अदृश्य infrared संकेतों को दृश्य आउटपुट में बदलने में मदद कर सकता है।

असल में, इसका मूल्य प्रस्ताव यह नहीं है कि यह प्रणाली हर भौतिक मेटासर्फेस से बेहतर एक काम करती है। बल्कि यह है कि यह बिना हर अलग कार्य के लिए एक अलग निर्मित घटक की आवश्यकता के, मांग के अनुसार कई तरह के काम कर सकती है। यह अंतर उन अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण है जहाँ आकार, लचीलापन, गति और निर्माण जटिलता सभी एक साथ मायने रखते हैं।

ट्यून करने की क्षमता क्यों महत्वपूर्ण है

शोधकर्ताओं का तर्क है कि प्रयोगशाला से व्यापक उपयोग तक पहुँचने के लिए मेटासर्फेस में ट्यून करने की क्षमता ही आवश्यक है। यह एक महत्वपूर्ण बात है, क्योंकि मेटासर्फेस को लेकर उत्साह का बड़ा हिस्सा उनके सूक्ष्मीकृत ऑप्टिकल हार्डवेयर के वादे से जुड़ा है, लेकिन बड़े पैमाने पर उपयोग यह भी तय करता है कि कोई तकनीक अलग-अलग परिस्थितियों और उपयोग-परिदृश्यों के अनुसार बिना महंगे पुन:डिज़ाइन के ढल सकती है या नहीं।

एक स्थिर ऑप्टिकल घटक बहुत संकीर्ण रूप से परिभाषित भूमिका में शानदार प्रदर्शन कर सकता है। एक ट्यून होने वाला ऑप्टिकल घटक संभावित रूप से कई भूमिकाओं का समर्थन कर सकता है, हार्डवेयर की पुनरावृत्ति कम कर सकता है, और ऑप्टिकल स्टैक के पूर्ण पुन:डिज़ाइन के बजाय सॉफ़्टवेयर या नियंत्रण तर्क के माध्यम से प्रणालियों को अद्यतन करने की अनुमति दे सकता है। टीम की प्रस्तुति से संकेत मिलता है कि वर्चुअल मेटासर्फेस उच्च-प्रदर्शन ऑप्टिकल शोध और अधिक लचीले, उत्पादन-उन्मुख photonic प्लेटफॉर्म के बीच एक सेतु बन सकते हैं।

इसका अर्थ यह नहीं है कि यह तकनीक आज उत्पादन-तैयार है। स्रोत पाठ स्पष्ट रूप से कहता है कि अतिरिक्त अनुसंधान और विकास की आवश्यकता होगी। फिर भी, तर्क यह है कि यह अवधारणा उस महत्वपूर्ण बाधा को हटाती है जिसने भौतिक मेटासर्फेस की वास्तविक उपयोगिता को सीमित किया है: निर्माण के बाद गतिशील पुन:कॉन्फ़िगरेशन की कमी।

संभावित उपयोग इमेजिंग, सेंसिंग और दूरसंचार तक फैले हैं

संभावित उपयोगों की सूची व्यापक है। शोधकर्ताओं का कहना है कि वर्चुअल दृष्टिकोण imaging और microscopy, quantum photonics, sensing, beam steering, semiconductor manufacturing, telecommunications, और holography में लाभकारी हो सकता है। इसे प्रमाण के बजाय संभाव्यता के रूप में देखना चाहिए, लेकिन यह दिखाता है कि उन्नत प्रौद्योगिकियों में प्रकाश नियंत्रण कितना मौलिक है।

इमेजिंग और microscopy में, एक ऐसी प्रणाली जो फोकस को तेज़ी से बदल सकती है या अलग-अलग तरंगदैर्घ्यों को संभालने के तरीके को अनुकूलित कर सकती है, बड़े पारंपरिक optics stacks के बिना अधिक लचीलापन दे सकती है। sensing में, विशिष्ट संकेतों का प्रोग्रामेबल रूप से प्रबंधन एक ही उपकरण को कई तरीकों से लक्ष्य या वातावरण की जाँच करने में सक्षम कर सकता है। beam steering और telecommunications में, प्रकाश को गतिशील रूप से निर्देशित या पुन:आकार देने की क्षमता सीधे प्रदर्शन और प्रणाली की अनुकूलनशीलता से जुड़ी है।

quantum photonics भी एक उल्लेखनीय क्षेत्र है, क्योंकि कई quantum प्रणालियाँ photons और optical paths के सटीक नियंत्रण पर निर्भर करती हैं। कोई भी ऐसा platform जिसे तेज़ी और सटीकता से पुन:कॉन्फ़िगर किया जा सके, प्रयोगात्मक या संकर वाणिज्यिक सेटिंग्स में आकर्षक हो सकता है, बशर्ते वह स्थिरता और noise requirements को पूरा करे।

अदृश्य infrared प्रकाश पर केंद्रित एक प्रदर्शन

अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इस अवधारणा का प्रदर्शन platform का उपयोग करके अदृश्य infrared संकेतों को दृश्य पैटर्न में बदलकर किया। यह उदाहरण उपयोगी है क्योंकि यह दिखाता है कि यह तकनीक केवल किसी परिचित lensing effect को दोहराने से अधिक कर रही है। यह programmable light manipulation की व्यापक क्षमता को उजागर करता है, विशेष रूप से वहाँ जहाँ wavelength conversion या signal translation ऐसी जानकारी खोल सकती है जो अन्यथा आँखों की पहुँच से बाहर रहती।

infrared-to-visible conversion के इमेजिंग, निरीक्षण और sensing पर स्पष्ट प्रभाव हैं। यद्यपि दिए गए पाठ में performance को संख्यात्मक रूप से नहीं बताया गया है या किसी विशिष्ट मौजूदा प्रणाली से तुलना नहीं की गई है, यह स्पष्ट करता है कि टीम virtual metasurfaces को एक सैद्धांतिक रचना के बजाय एक व्यावहारिक optical tool के रूप में प्रस्तुत कर रही है।

बड़ा निष्कर्ष यह है कि यह क्षेत्र software-defined optics की ओर बढ़ सकता है, जहाँ किसी सतह का उपयोगी व्यवहार निर्माण के दौरान स्थिर न होकर संचालन के दौरान गतिशील रूप से अद्यतन होता है। यदि यह दिशा बनी रहती है, तो मेटासर्फेस स्थिर घटकों की तुलना में कम और प्रोग्रामेबल platforms की तुलना में अधिक हो सकते हैं। कॉम्पैक्ट imaging systems, photonic tools और adaptive optical hardware के डेवलपर्स के लिए यह घटक-क्षमता जितना ही डिज़ाइन दर्शन में भी महत्वपूर्ण बदलाव होगा।

अभी के लिए, यह काम एक शोध परिणाम ही है। लेकिन यह ऐसा परिणाम है जो आगे का रास्ता स्पष्ट करता है: लगातार अधिक विशिष्ट स्थिर nanostructures बनाने के बजाय, शोधकर्ता increasingly यह पूछ सकते हैं कि optical behavior को गति के साथ reprogrammable कैसे बनाया जाए। यही कारण है कि Nottingham Trent की टीम इस प्रगति को संभावित game-changer मानती है। यह सफलता केवल पतली optics नहीं है। यह ऐसी optics है जो अपना मन बदलती रह सकती है।

यह लेख Phys.org की रिपोर्टिंग पर आधारित है। मूल लेख पढ़ें.