अल्ट्राथिन सिलिकॉन संरचना एक अब्जांश सेकंदात मध्य-इन्फ्रारेड प्रकाश नियंत्रित करतात

मध्य-इन्फ्रारेड प्रकाश नियंत्रित करणे का महत्त्वाचे आहे

विद्युतचुंबकीय वर्णपटातील मध्य-इन्फ्रारेड पट्टा आधुनिक संवेदनशीलतेत विशेष स्थान राखतो. रेणू या तरंगलांबींवर प्रकाश शोषून घेतात आणि त्याच्याशी अत्यंत विशिष्ट पद्धतीने परस्परसंवाद साधतात, ज्यामुळे पदार्थ नेमका काय आहे हे उघड करणारे वर्णपटीय ठसे तयार होतात. हा गुणधर्म मध्य-इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपीचा पाया आहे, जी तंत्र संशोधक जैविक पदार्थ ओळखण्यासाठी, औषधे शोधण्यासाठी आणि पर्यावरणातील प्रदूषके दर्शविण्यासाठी वापरतात.

संवेदन हा एकमेव उपयोग नाही. मध्य-इन्फ्रारेड प्रकाश मुक्त अवकाशातून माहितीही वाहू शकतो, ज्यामुळे केबल किंवा ऑप्टिकल फायबरशिवाय हवेतून डेटा प्रवास करू शकतो. दोन्ही भूमिकांमध्ये व्यावहारिक फायदा समान आहे: संशोधकांना मध्य-इन्फ्रारेड प्रकाशावर जितके घट्ट नियंत्रण असेल, तितके त्यांचे डिटेक्टर अधिक संवेदनशील होतील आणि त्यांचे दळणवळण दुवे अधिक वेगाने चालू शकतील. त्यामुळे हे नियंत्रण सुधारणे हे अभियांत्रिकीचे केंद्रीय लक्ष्य बनले आहे.

बहुतेक मेटासर्फेसची समस्या: ते निर्मितीच्यावेळीच स्थिर होतात

या नियंत्रण समस्येचे आश्वासक उत्तर म्हणून मेटासर्फेस पुढे आले आहेत. हे नॅनोस्केलवर नमुना तयार केलेले अल्ट्राथिन स्ट्रक्चर आहेत, जे अवजड पारंपरिक ऑप्टिक्सवर अवलंबून न राहता त्यांची भूमिती प्रकाश लहरींना आकार देते आणि दिशा देते अशा प्रकारे अभियांत्रिक केलेले असतात.

परंतु एक अडचण आहे ज्यामुळे त्यांपैकी अनेक वास्तविक जगातील फोटोनिक प्रणालींबाहेर राहिले आहेत. आतापर्यंत प्रदर्शित केलेले बहुतेक मेटासर्फेस स्थिर आहेत: नॅनोस्ट्रक्चर एकदा तयार झाल्यावर त्याचे ऑप्टिकल गुणधर्म जागीच बंदिस्त होतात. उपकरण जे बनवले गेले त्यासाठी तेच करते, इतर काहीही नाही. चिप पुन्हा न बनवता मागणीनुसार प्रतिसाद बदलता येणारा ट्यून करण्यायोग्य ऑप्टिकल घटक हा गहाळ दुवा होता.

निलंबित स्फटिकी सिलिकॉन समीकरण बदलते

EPFL च्या स्कूल ऑफ इंजिनिअरिंगमधील बायोनॅनोफोटोनिक सिस्टम्स लॅबोरेटरी (BIOS) येथे हॅटिस अल्टुग यांच्या नेतृत्वाखालील संशोधन गटाने आता ही अडचण दूर केली आहे. संघाने स्फटिकी सिलिकॉनच्या निलंबित पडद्यांवर मेटासर्फेस तयार केले आणि सिलिकॉनमध्येच गतिशील विद्युत शुल्क निर्माण करून ते ट्यून केले. परिणाम असा उपकरण आहे ज्याचा प्रकाशाला प्रतिसाद त्याच्या भौतिक रचनेत कोणताही बदल न करता वास्तविक वेळेत बदलता येतो.

सामग्री आणि रचनेची निवड या प्रगतीच्या केंद्रस्थानी आहे. "हवेत निलंबित नॅनोस्ट्रक्चर्ड थर असलेले स्फटिकी सिलिकॉन वापरून, पारंपरिक मध्य-इन्फ्रारेड प्लॅटफॉर्म मर्यादित करणारे ऑप्टिकल नुकसान आम्ही मोठ्या प्रमाणात कमी करू शकलो," असे अल्टुग म्हणाल्या.

नॅनोस्ट्रक्चर्ड थर घन आधारावर ठेवण्याऐवजी निलंबित करणे, तुलनात्मक मध्य-इन्फ्रारेड रचनांमध्ये कार्यक्षमता कमी करणारे शोषण आणि गळतीचे मार्ग टाळते. हे काम Nature Communications मध्ये प्रकाशित झाले आहे.

नॅनोस्ट्रक्चरला स्पर्श न करता ट्यूनिंगचे दोन मार्ग

BIOS चे ज्येष्ठ शास्त्रज्ञ इव्हान सिनेव यांनी स्पष्ट केल्याप्रमाणे, संघाने मेटासर्फेसची नॅनोस्ट्रक्चरला स्पर्श न करता ट्यून करण्याचे दोन वेगळे मार्ग प्रदर्शित केले. एका पद्धतीत एकात्मिक इलेक्ट्रोड्स मायक्रोहीटर म्हणून वापरले जातात, जे स्थानिक औष्णिक ऊर्जा लावून संरचनेचे ऑप्टिकल वर्तन बदलतात. दुसरी पद्धत गटाने कामाचे वर्णन करताना अधोरेखित केलेल्या शुल्क-आधारित तत्त्वावर अवलंबून आहे: सिलिकॉनमधील विद्युत वाहक हलवून सामग्रीचा ऑप्टिकल प्रतिसाद बदलणे.

हा फरक महत्त्वाचा आहे कारण तो उष्णता आणि शुल्क यांना उपकरणाच्या भूमितीपासून स्वतंत्र लीव्हर म्हणून वेगळा करतो. नॅनोस्केल नमुना कोणत्याही प्रकारे आपले काम करत राहतो, त्यामुळे संशोधकांना वेगळे ऑप्टिकल वर्तन हवे असल्यास प्रत्येक वेळी नवीन रचना पुन्हा डिझाइन करून पुन्हा तयार करण्यास भाग पडत नाही.

मिलिसेकंदांपासून अब्जांश सेकंदापर्यंत

वेगवाढ हा प्रमुख निकालांपैकी एक आहे. EPFL ची उपकरणे मध्य-इन्फ्रारेड प्रकाश अब्जांश सेकंदात मोजल्या जाणाऱ्या कालावधीत ट्यून करतात, जो पूर्वीच्या ट्यून करण्यायोग्य पद्धतींच्या ठराविक मिलिसेकंद-स्तरीय स्विचिंगपेक्षा नाट्यमय बदल आहे.

फोटोनिक प्रणालीसाठी, हा फरक किरकोळ सुधारणा नाही. ऑप्टिकल घटक मिलिसेकंदांत पुनर्रचित करणे म्हणजे वेगवान मॉड्युलेशनची मागणी करणाऱ्या कोणत्याही उपयोगातून, जसे की उच्च-वेग डेटा एन्कोडिंग किंवा वेगाने हलणाऱ्या आणि क्षणिक नमुन्यांचे मापन, तो बाद होतो.

अब्जांश सेकंदात स्विचिंग दोन्ही दारे उघडते. डिटेक्टर फ्रंट-एंड मोजमापांदरम्यान ज्या वेगाने त्याचे विश्लेषण करत आहे त्या सिग्नलशी जुळवून घेणाऱ्या गतीने पुनर्रचित केले जाऊ शकते. मुक्त-अवकाश ऑप्टिकल दुवा मध्य-इन्फ्रारेड प्रकाश पुरेसा वेगाने मॉड्युलेट करून माहिती छापू शकतो, ज्यामुळे खूप उच्च डेटा दरांना आधार मिळतो.

विक्रमी ऑप्टिकल कार्यक्षमता आणि वेफर-स्केल निर्मिती

उपकरणे संशोधकांनी विक्रमी ऑप्टिकल कार्यक्षमता असे वर्णन केलेले प्रदर्शनही नोंदवतात, ज्यात समान सामग्रीपासून बनवलेल्या पूर्वीच्या मध्य-इन्फ्रारेड प्लॅटफॉर्मच्या तुलनेत प्रमुख मेट्रिक्समध्ये एका पटीहून अधिक सुधारणा साधली जाते. ट्यून करण्यायोग्यतेचे आणि झपाट्याने कमी झालेल्या नुकसानाचे हे संयोजनच प्लॅटफॉर्मला केवळ मनोरंजक नाही तर स्पर्धात्मक बनवते.

निर्मितीही प्रमाणित होत असल्याचे दिसते. संघाने 1 cm² चिप्सचे बनलेले वेफर-स्केल पडदे तयार केले, प्रत्येकावर मेटासर्फेसचा 7×7 अॅरे आहे. एकाच चिपवर अनेक संरचना ठेवणे अशा प्रणालींकडे निर्देश करते ज्यांमध्ये एका उपकरणाचे वेगवेगळे भाग वेगवेगळी ऑप्टिकल कार्ये हाताळतात, किंवा ज्यांमध्ये अॅरे समांतरपणे ट्यून केले जातात.

पुढे काय

संशोधकांनी निर्देश केलेले अल्पकालीन उपयोग दोन मार्गांवर चालतात. संवेदन बाजूस, चांगले मध्य-इन्फ्रारेड नियंत्रण अधिक संवेदनशील डिटेक्टर आणि अधिक सक्षम स्पेक्ट्रोस्कोपीमध्ये रूपांतरित होते, जे जैविक नमुने ओळखण्यासाठी, औषधांची तपासणी करण्यासाठी आणि प्रदूषके देखरेख करण्यासाठी उपयुक्त आहे. दळणवळण बाजूस, ते हवेतून डेटा प्रसारित करणाऱ्या वेगवान मुक्त-अवकाश ऑप्टिकल दुव्यांना आधार देते. अल्ट्राथिन, कमी-नुकसानीचा आणि आदेशानुसार पुनर्रचित करता येणाऱ्या घटकाचा दोन्हींना फायदा होणार आहे.

मोठा अर्थ स्थापत्यविषयक असू शकतो. अनेक वर्षे मेटासर्फेसचे स्थिर स्वरूप त्यांना मुख्यतः स्थिर ऑप्टिकल कार्यांपुरते मर्यादित ठेवत होते, तर ट्यून करण्यायोग्य पर्याय कार्यक्षमता त्याग करणाऱ्या सामग्री आणि यंत्रणांवर अवलंबून होते. निलंबित स्फटिकी सिलिकॉनला शुल्क-आधारित ट्यूनिंगसोबत जोडून, EPFL गटाने दाखवले आहे की पुनर्रचनाक्षमता ऑप्टिकल गुणवत्तेच्या किंमतीवर येणे आवश्यक नाही. वेफर-स्तरीय प्रात्यक्षिक सूचित करते त्याप्रमाणे हा दृष्टिकोन प्रमाणित झाला, तर ट्यून करण्यायोग्य मध्य-इन्फ्रारेड मेटासर्फेस प्रयोगशाळेतील कुतूहलातून संवेदन आणि दळणवळण दोन्हींसाठी डिझाइन केलेल्या फोटोनिक प्रणालींमधील मानक बांधकाम घटकाकडे जाऊ शकतात.

हा लेख Phys.org च्या अहवालावर आधारित आहे. मूळ लेख वाचा.