अल्ट्राथिन सिलिकॉन संरचनाएँ मध्य-अवरक्त प्रकाश को एक अरबवें सेकंड में समायोजित करती हैं

मध्य-अवरक्त प्रकाश को नियंत्रित करना क्यों महत्वपूर्ण है

विद्युतचुंबकीय स्पेक्ट्रम का मध्य-अवरक्त बैंड आधुनिक संवेदन में एक विशेष स्थान रखता है। अणु इन तरंगदैर्ध्यों पर प्रकाश को अत्यंत विशिष्ट तरीकों से अवशोषित और अंतःक्रिया करते हैं, जिससे वर्णक्रमीय फिंगरप्रिंट बनते हैं जो बताते हैं कि कोई पदार्थ वास्तव में क्या है। यह गुण मध्य-अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी का आधार है, एक तकनीक जिस पर शोधकर्ता जैविक सामग्रियों की पहचान करने, दवाओं का पता लगाने और पर्यावरण में प्रदूषकों को चिह्नित करने के लिए निर्भर करते हैं।

संवेदन ही एकमात्र उपयोग नहीं है। मध्य-IR प्रकाश मुक्त स्थान के माध्यम से सूचना भी ले जा सकता है, जिससे डेटा बिना केबल या ऑप्टिकल फाइबर के हवा के माध्यम से यात्रा कर सकता है। दोनों भूमिकाओं में व्यावहारिक लाभ समान है: शोधकर्ताओं का मध्य-IR प्रकाश पर जितना सख्त नियंत्रण होगा, उनके डिटेक्टर उतने ही संवेदनशील होंगे और उनके संचार लिंक उतनी ही तेजी से चल सकेंगे। इसलिए उस नियंत्रण को बेहतर बनाना एक केंद्रीय इंजीनियरिंग लक्ष्य बन गया है।

अधिकांश मेटासरफेस की समस्या: वे निर्माण के समय जम जाते हैं

मेटासरफेस उस नियंत्रण समस्या के सबसे आशाजनक उत्तरों में से एक के रूप में उभरे हैं। ये नैनोस्केल पर पैटर्न वाली अल्ट्राथिन संरचनाएँ हैं, जिन्हें इस तरह इंजीनियर किया जाता है कि उनकी ज्यामिति भारी पारंपरिक ऑप्टिक्स पर निर्भर रहने के बजाय प्रकाश तरंगों को आकार और दिशा देती है।

लेकिन एक अड़चन है जिसने उनमें से कई को वास्तविक दुनिया के फोटोनिक सिस्टम से बाहर रखा है। अब तक प्रदर्शित अधिकांश मेटासरफेस स्थिर हैं: एक बार नैनोस्ट्रक्चर बन जाने के बाद, उसके ऑप्टिकल गुण जगह पर ताला लगा देते हैं। उपकरण वही करता है जिसके लिए उसे बनाया गया था और कुछ नहीं। एक ट्यून करने योग्य ऑप्टिकल घटक, जिसकी प्रतिक्रिया चिप को फिर से बनाए बिना मांग पर बदली जा सके, वह गायब टुकड़ा रहा है।

निलंबित क्रिस्टलीय सिलिकॉन समीकरण बदल देता है

EPFL के School of Engineering में Bionanophotonic Systems Laboratory (BIOS) में Hatice Altug के नेतृत्व वाले एक शोध समूह ने अब उस बाधा का समाधान किया है। टीम ने क्रिस्टलीय सिलिकॉन की निलंबित झिल्लियों पर मेटासरफेस बनाए और उन्हें सिलिकॉन के भीतर गतिशील विद्युत आवेश प्रेरित करके ट्यून किया। परिणाम एक ऐसा उपकरण है जिसकी प्रकाश के प्रति प्रतिक्रिया उसकी भौतिक संरचना में किसी भी संशोधन के बिना वास्तविक समय में बदली जा सकती है।

सामग्री और वास्तुकला का चयन इस प्रगति के केंद्र में है। "हवा में निलंबित नैनोस्ट्रक्चर्ड परत के साथ क्रिस्टलीय सिलिकॉन का उपयोग करके, हम उन ऑप्टिकल हानियों को बहुत कम करने में सक्षम हुए जो आमतौर पर पारंपरिक मध्य-अवरक्त प्लेटफार्मों को सीमित करती हैं," Altug ने कहा।

नैनोस्ट्रक्चर्ड परत को ठोस सब्सट्रेट पर छोड़ने के बजाय निलंबित करना उन अवशोषण और रिसाव मार्गों से बचता है जो तुलनीय मध्य-IR डिज़ाइनों में प्रदर्शन को कम करते हैं। यह कार्य Nature Communications में प्रकाशित हुआ है।

नैनोस्ट्रक्चर को छुए बिना ट्यूनिंग के दो रास्ते

जैसा कि BIOS के वरिष्ठ वैज्ञानिक Ivan Sinev ने समझाया, टीम ने मेटासरफेस को उनके नैनोस्ट्रक्चर को अछूता छोड़ते हुए ट्यून करने के दो अलग-अलग तरीके प्रदर्शित किए। एक दृष्टिकोण में एकीकृत इलेक्ट्रोड को माइक्रोहीटर के रूप में उपयोग किया जाता है, जो संरचना के ऑप्टिकल व्यवहार को बदलने के लिए स्थानीयकृत तापीय ऊर्जा लागू करते हैं। दूसरा उस आवेश-आधारित सिद्धांत पर निर्भर करता है जिस पर समूह इस कार्य का वर्णन करते समय जोर देता है: सिलिकॉन के भीतर विद्युत वाहकों को स्थानांतरित करके सामग्री की ऑप्टिकल प्रतिक्रिया को संशोधित करना।

यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह ऊष्मा और आवेश को उपकरण की ज्यामिति से स्वतंत्र लीवर के रूप में अलग करता है। चूंकि नैनोस्केल पैटर्न किसी भी तरह अपना काम करता रहता है, शोधकर्ताओं को हर बार अलग ऑप्टिकल व्यवहार की आवश्यकता होने पर नई संरचना को फिर से डिज़ाइन और पुनर्निर्मित करने के लिए मजबूर नहीं होना पड़ता।

मिलीसेकंड से एक अरबवें सेकंड तक

गति लाभ प्रमुख परिणामों में से एक है। EPFL के उपकरण मध्य-IR प्रकाश को एक अरबवें सेकंड में मापे जाने वाले समयमान पर ट्यून करते हैं, जो पहले के ट्यून करने योग्य दृष्टिकोणों की विशिष्ट मिलीसेकंड-स्तरीय स्विचिंग से एक नाटकीय बदलाव है।

एक फोटोनिक सिस्टम के लिए, यह अंतर मामूली सुधार नहीं है। किसी ऑप्टिकल तत्व को मिलीसेकंड में पुनः कॉन्फ़िगर करना प्रभावी रूप से उसे किसी भी ऐसे अनुप्रयोग से बाहर कर देता है जिसमें तीव्र मॉड्यूलेशन की मांग हो, जैसे उच्च गति डेटा एन्कोडिंग या तेजी से चलने वाले और क्षणिक नमूनों का मापन।

एक अरबवें सेकंड में स्विचिंग दोनों दरवाजे खोलती है। एक डिटेक्टर फ्रंट-एंड को मापों के बीच उस गति से पुनः कॉन्फ़िगर किया जा सकता है जो उसके द्वारा विश्लेषण किए जा रहे सिग्नल के साथ तालमेल रखे। एक मुक्त-स्थान ऑप्टिकल लिंक मध्य-IR प्रकाश को इतनी तेजी से मॉड्यूलेट करके सूचना अंकित कर सकता है कि बहुत अधिक डेटा दरों का समर्थन कर सके।

रिकॉर्ड ऑप्टिकल प्रदर्शन और वेफर-स्केल निर्माण

उपकरण वह भी हासिल करते हैं जिसे शोधकर्ता रिकॉर्ड ऑप्टिकल प्रदर्शन बताते हैं, जो समान सामग्रियों से बने पहले के मध्य-IR प्लेटफार्मों की तुलना में प्रमुख मेट्रिक्स में एक परिमाण क्रम से अधिक सुधार प्राप्त करते हैं। ट्यूनबिलिटी और तेजी से कम हुई हानि का यह संयोजन ही प्लेटफॉर्म को केवल दिलचस्प के बजाय प्रतिस्पर्धी बनाता है।

निर्माण भी स्केल करता प्रतीत होता है। टीम ने 1 cm² चिप्स से बनी वेफर-स्केल झिल्लियाँ तैयार कीं, जिनमें से प्रत्येक में मेटासरफेस की 7×7 सरणी है। एक ही चिप पर कई संरचनाओं को पैक करना ऐसे सिस्टम की ओर संकेत करता है जिनमें एक उपकरण के विभिन्न क्षेत्र अलग-अलग ऑप्टिकल कार्य संभालते हैं, या जिनमें सरणियों को समानांतर में ट्यून किया जाता है।

आगे क्या आता है

शोधकर्ता जिन निकट-अवधि अनुप्रयोगों की ओर संकेत करते हैं, वे दो पटरियों पर चलते हैं। संवेदन पक्ष पर, बेहतर मध्य-IR नियंत्रण अधिक संवेदनशील डिटेक्टरों और अधिक सक्षम स्पेक्ट्रोस्कोपी में अनुवादित होता है, जो जैविक नमूनों की पहचान करने, दवाओं की जांच और प्रदूषकों की निगरानी के लिए उपयोगी है। संचार पक्ष पर, यह हवा के माध्यम से डेटा संचारित करने वाले तेज मुक्त-स्थान ऑप्टिकल लिंक का समर्थन करता है। दोनों को एक ऐसे घटक से लाभ हो सकता है जो अल्ट्राथिन, कम-हानि और आदेश पर पुनः कॉन्फ़िगर करने योग्य है।

बड़ा महत्व वास्तुशिल्पीय हो सकता है। वर्षों से मेटासरफेस की स्थिर प्रकृति ने उन्हें मुख्य रूप से स्थिर ऑप्टिकल कार्यों तक सीमित कर दिया था, जबकि ट्यून करने योग्य विकल्प उन सामग्रियों और तंत्रों पर निर्भर थे जो प्रदर्शन का त्याग करते थे। निलंबित क्रिस्टलीय सिलिकॉन को आवेश-आधारित ट्यूनिंग के साथ जोड़कर, EPFL समूह ने दिखाया है कि पुनः कॉन्फ़िगर करने योग्यता ऑप्टिकल गुणवत्ता की कीमत पर नहीं आनी चाहिए। यदि यह दृष्टिकोण उतना ही स्केल करता है जितना वेफर-स्तरीय प्रदर्शन सुझाता है, तो ट्यून करने योग्य मध्य-IR मेटासरफेस प्रयोगशाला की जिज्ञासा से संवेदन और संचार दोनों के लिए डिज़ाइन किए गए फोटोनिक सिस्टम में एक मानक निर्माण खंड बन सकते हैं।

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