అతినూతన సిలికాన్ నిర్మాణాలు మిడ్-ఇన్ఫ్రారెడ్ కాంతిని సెకనులో బిలియన్ల వంతులో సర్దుబాటు చేస్తాయి

మిడ్-ఇన్ఫ్రారెడ్ కాంతిని నియంత్రించడం ఎందుకు విలువైనది

విద్యుదయస్కాంత వర్ణపటంలోని మిడ్-ఇన్ఫ్రారెడ్ బ్యాండ్ ఆధునిక సెన్సింగ్లో ప్రత్యేక స్థానాన్ని ఆక్రమిస్తుంది. ఈ తరంగదైర్ఘ్యాల వద్ద అణువులు కాంతిని అత్యంత నిర్దిష్ట పద్ధతుల్లో శోషించుకుంటాయి మరియు పరస్పరం చర్య జరుపుతాయి, ఒక పదార్థం వాస్తవానికి ఏమిటో వెల్లడించే వర్ణపట వేలిముద్రలను ఉత్పత్తి చేస్తాయి. ఆ లక్షణం మిడ్-ఇన్ఫ్రారెడ్ స్పెక్ట్రోస్కోపీకి ఆధారం, ఇది జీవ పదార్థాలను గుర్తించడానికి, మాదకద్రవ్యాలను గుర్తించడానికి మరియు పర్యావరణంలో కాలుష్య కారకాలను గుర్తించడానికి పరిశోధకులు ఆధారపడే ఒక పద్ధతి.

సెన్సింగ్ మాత్రమే దీని ఉపయోగం కాదు. మిడ్-IR కాంతి ఖాళీ ప్రదేశం ద్వారా సమాచారాన్ని కూడా తీసుకువెళ్లగలదు, కేబుల్స్ లేదా ఆప్టికల్ ఫైబర్లు లేకుండా గాలి ద్వారా డేటా ప్రయాణించడానికి అనుమతిస్తుంది. రెండు పాత్రల్లోనూ ఆచరణాత్మక ప్రయోజనం ఒకటే: పరిశోధకులకు మిడ్-IR కాంతిపై ఎంత కచ్చితమైన నియంత్రణ ఉంటే, వారి డిటెక్టర్లు అంత సున్నితంగా మారతాయి మరియు వారి సమాచార లింక్లు అంత వేగంగా నడుస్తాయి. అందువల్ల ఆ నియంత్రణను మెరుగుపరచడం కేంద్ర ఇంజినీరింగ్ లక్ష్యంగా మారింది.

చాలా మెటాసర్ఫేస్ల సమస్య: అవి తయారీలోనే స్థిరపడిపోతాయి

ఆ నియంత్రణ సమస్యకు అత్యంత ఆశాజనకమైన సమాధానాలలో ఒకటిగా మెటాసర్ఫేస్లు ఉద్భవించాయి. ఇవి నానోస్కేల్ వద్ద నమూనా చేయబడిన అతినూతన నిర్మాణాలు, వాటి జ్యామితి కాంతి తరంగాలను రూపొందించి నడిపించే విధంగా రూపకల్పన చేయబడతాయి, పెద్ద సాంప్రదాయిక ఆప్టిక్స్పై ఆధారపడకుండా.

కానీ వాటిలో చాలా వాటిని వాస్తవ ప్రపంచ ఫోటోనిక్ వ్యవస్థల నుండి దూరంగా ఉంచిన ఒక అడ్డంకి ఉంది. ఇప్పటివరకు ప్రదర్శించిన చాలా మెటాసర్ఫేస్లు స్థిరమైనవి: నానోస్ట్రక్చర్ తయారు చేయబడిన తర్వాత, దాని ఆప్టికల్ లక్షణాలు అక్కడే లాక్ అయిపోతాయి. పరికరం తాను నిర్మించబడిన పనిని చేస్తుంది, అంతే. చిప్ను తిరిగి నిర్మించకుండా డిమాండ్ ప్రకారం దాని ప్రతిస్పందనను మార్చగలిగే ట్యూనబుల్ ఆప్టికల్ భాగం లేకపోవడమే లోటు.

సస్పెండ్ చేసిన స్ఫటిక సిలికాన్ సమీకరణాన్ని మారుస్తుంది

EPFL స్కూల్ ఆఫ్ ఇంజినీరింగ్లోని బయోనానోఫోటోనిక్ సిస్టమ్స్ లాబొరేటరీ (BIOS)లో హతిసె అల్టుగ్ నేతృత్వంలోని పరిశోధన బృందం ఇప్పుడు ఆ అడ్డంకిని పరిష్కరించింది. బృందం స్ఫటిక సిలికాన్ యొక్క సస్పెండ్ చేసిన పొరలపై మెటాసర్ఫేస్లను నిర్మించింది మరియు సిలికాన్ లోపల కదిలే విద్యుత్ ఆవేశాలను ప్రేరేపించడం ద్వారా వాటిని సర్దుబాటు చేస్తుంది. ఫలితంగా భౌతిక నిర్మాణంలో ఎటువంటి మార్పు లేకుండా కాంతిపై దాని ప్రతిస్పందనను నిజ సమయంలో మార్చగలిగే పరికరం లభిస్తుంది.

పదార్థం మరియు నిర్మాణ ఎంపిక ఈ పురోగతికి కేంద్రంగా ఉంది. "గాలిలో సస్పెండ్ చేయబడిన నానోస్ట్రక్చర్డ్ పొరతో స్ఫటిక సిలికాన్ను ఉపయోగించడం ద్వారా, సాంప్రదాయిక మిడ్-ఇన్ఫ్రారెడ్ ప్లాట్ఫారమ్లను సాధారణంగా పరిమితం చేసే ఆప్టికల్ నష్టాలను మేము బాగా తగ్గించగలిగాము," అని అల్టుగ్ అన్నారు.

నానోస్ట్రక్చర్డ్ పొరను ఘన సబ్స్ట్రేట్పై ఉంచడం బదులు సస్పెండ్ చేయడం వల్ల, సమానమైన మిడ్-IR డిజైన్లలో పనితీరును క్షీణింపజేసే శోషణ మరియు లీకేజ్ మార్గాలను నివారించవచ్చు. ఈ పని Nature Communicationsలో ప్రచురించబడింది.

నానోస్ట్రక్చర్ను తాకకుండా సర్దుబాటు చేసే రెండు మార్గాలు

BIOS సీనియర్ సైంటిస్ట్ ఇవాన్ సినెవ్ వివరించినట్లుగా, బృందం మెటాసర్ఫేస్ల నానోస్ట్రక్చర్ను అస్పృశ్యంగా ఉంచుతూ వాటిని సర్దుబాటు చేసే రెండు విభిన్న మార్గాలను ప్రదర్శించింది. ఒక విధానం సమగ్ర ఎలక్ట్రోడ్లను మైక్రోహీటర్లుగా ఉపయోగిస్తుంది, నిర్మాణం ఆప్టికల్గా ఎలా ప్రవర్తిస్తుందో మార్చడానికి స్థానిక ఉష్ణ శక్తిని వర్తింపజేస్తుంది. మరొకటి, ఈ పనిని వివరించడంలో బృందం నొక్కి చెప్పే ఆవేశ ఆధారిత సూత్రంపై ఆధారపడుతుంది: పదార్థం యొక్క ఆప్టికల్ ప్రతిస్పందనను మార్చడానికి సిలికాన్ లోపల విద్యుత్ వాహకాలను కదిలించడం.

ఆ భేదం ముఖ్యం ఎందుకంటే ఇది వేడి మరియు ఆవేశాన్ని పరికరం యొక్క జ్యామితి నుండి స్వతంత్రమైన మీటలుగా వేరు చేస్తుంది. నానోస్కేల్ నమూనా ఏ విధంగానైనా తన పనిని కొనసాగిస్తుంది కాబట్టి, వేరే ఆప్టికల్ ప్రవర్తన అవసరమైన ప్రతిసారీ పరిశోధకులు కొత్త నిర్మాణాన్ని తిరిగి రూపకల్పన చేసి తిరిగి తయారు చేయవలసిన అవసరం లేదు.

మిల్లీసెకన్ల నుండి సెకనులో బిలియన్ల వంతు వరకు

వేగం లాభం ప్రధాన ఫలితాలలో ఒకటి. EPFL పరికరాలు మిడ్-IR కాంతిని సెకనులో బిలియన్ల వంతులలో కొలిచే సమయ ప్రమాణాలపై సర్దుబాటు చేస్తాయి, ఇది మునుపటి ట్యూనబుల్ విధానాలలో సాధారణమైన మిల్లీసెకన్-స్థాయి స్విచింగ్ నుండి నాటకీయ మార్పు.

ఒక ఫోటోనిక్ వ్యవస్థకు, ఆ తేడా ఉపాంత మెరుగుదల కాదు. ఒక ఆప్టికల్ మూలకాన్ని మిల్లీసెకన్లలో పునఃకాన్ఫిగర్ చేయడం వాస్తవానికి వేగవంతమైన మాడ్యులేషన్ అవసరమయ్యే ఏ అనువర్తనం నుండైనా దానిని మినహాయిస్తుంది, ఉదాహరణకు హై-స్పీడ్ డేటా ఎన్కోడింగ్ లేదా వేగంగా కదిలే మరియు క్షణిక నమూనాల కొలత.

సెకనులో బిలియన్ల వంతులో స్విచింగ్ రెండు ద్వారాలను తెరుస్తుంది. ఒక డిటెక్టర్ ఫ్రంట్-ఎండ్ తాను విశ్లేషిస్తున్న సిగ్నల్కు అనుగుణంగా కొలతల మధ్య పునఃకాన్ఫిగర్ చేయబడవచ్చు. ఒక ఫ్రీ-స్పేస్ ఆప్టికల్ లింక్ మిడ్-IR కాంతిని చాలా ఎక్కువ డేటా రేట్లకు మద్దతు ఇచ్చేంత వేగంగా మాడ్యులేట్ చేయడం ద్వారా సమాచారాన్ని ముద్రించగలదు.

రికార్డు ఆప్టికల్ పనితీరు మరియు వేఫర్-స్కేల్ తయారీ

ఈ పరికరాలు పరిశోధకులు రికార్డు ఆప్టికల్ పనితీరుగా వర్ణించే దానిని కూడా నమోదు చేస్తాయి, సమానమైన పదార్థాలతో నిర్మించిన మునుపటి మిడ్-IR ప్లాట్ఫారమ్లతో పోలిస్తే ముఖ్య కొలమానాలలో పది రెట్లు కంటే ఎక్కువ మెరుగుదల సాధిస్తాయి. ట్యూనబిలిటీ మరియు తీవ్రంగా తగ్గిన నష్టం కలయికే ఈ ప్లాట్ఫారమ్ను కేవలం ఆసక్తికరంగా కాకుండా పోటీపడగలిగేలా చేస్తుంది.

తయారీ కూడా స్కేల్ అవుతున్నట్లు కనిపిస్తుంది. బృందం 1 cm² చిప్లతో కూడిన వేఫర్-స్కేల్ పొరలను ఉత్పత్తి చేసింది, ప్రతి ఒక్కటి 7×7 మెటాసర్ఫేస్ల శ్రేణిని కలిగి ఉంటుంది. ఒకే చిప్పై అనేక నిర్మాణాలను పేర్చడం, ఒక పరికరంలోని వివిధ ప్రాంతాలు వివిధ ఆప్టికల్ పనులను నిర్వహించే వ్యవస్థల వైపు, లేదా శ్రేణులు సమాంతరంగా సర్దుబాటు చేయబడే వ్యవస్థల వైపు సూచిస్తుంది.

తదుపరి ఏమి వస్తుంది

పరిశోధకులు సూచించే సమీపకాల అనువర్తనాలు రెండు మార్గాల్లో నడుస్తాయి. సెన్సింగ్ వైపు, మెరుగైన మిడ్-IR నియంత్రణ మరింత సున్నితమైన డిటెక్టర్లు మరియు మరింత సమర్థవంతమైన స్పెక్ట్రోస్కోపీగా మారుతుంది, ఇది జీవ నమూనాలను గుర్తించడానికి, మాదకద్రవ్యాల కోసం స్క్రీనింగ్ చేయడానికి మరియు కాలుష్య కారకాలను పర్యవేక్షించడానికి ఉపయోగపడుతుంది. సమాచార వైపు, ఇది గాలి ద్వారా డేటాను ప్రసారం చేసే వేగవంతమైన ఫ్రీ-స్పేస్ ఆప్టికల్ లింక్లకు మద్దతు ఇస్తుంది. అతినూతనంగా, తక్కువ నష్టంతో మరియు ఆదేశం ప్రకారం పునఃకాన్ఫిగర్ చేయగలిగే ఒక భాగం నుండి రెండూ ప్రయోజనం పొందనున్నాయి.

పెద్ద ప్రాముఖ్యత నిర్మాణాత్మకమైనది కావచ్చు. సంవత్సరాలుగా మెటాసర్ఫేస్ల స్థిర స్వభావం వాటిని ఎక్కువగా స్థిర ఆప్టికల్ ఫంక్షన్లకే పరిమితం చేసింది, అయితే ట్యూనబుల్ ప్రత్యామ్నాయాలు పనితీరును త్యాగం చేసే పదార్థాలు మరియు యంత్రాంగాలపై ఆధారపడ్డాయి. సస్పెండ్ చేసిన స్ఫటిక సిలికాన్ను ఆవేశ ఆధారిత ట్యూనింగ్తో జోడించడం ద్వారా, EPFL బృందం పునఃకాన్ఫిగరబిలిటీ ఆప్టికల్ నాణ్యత ఖర్చుతో రావాల్సిన అవసరం లేదని చూపించింది. వేఫర్-స్థాయి ప్రదర్శన సూచించినట్లుగా ఈ విధానం స్కేల్ అయితే, ట్యూనబుల్ మిడ్-IR మెటాసర్ఫేస్లు ప్రయోగశాల ఆసక్తి నుండి సెన్సింగ్ మరియు సమాచార రెండింటి కోసం రూపకల్పన చేయబడిన ఫోటోనిక్ వ్యవస్థలలో ప్రామాణిక నిర్మాణ బ్లాక్గా మారవచ్చు.

ఈ వ్యాసం Phys.org నివేదిక ఆధారంగా రూపొందించబడింది. అసలు వ్యాసాన్ని చదవండి.