नैनोस्केल पर प्रकाश को नियंत्रित करने के लिए एक नया अत्याधुनिक प्लेटफॉर्म, क्वांटम संचार, डेटा एन्क्रिप्शन और अगली पीढ़ी के फोटोनिक उपकरणों में प्रगति का मार्ग प्रशस्त करता है।

क्वांटम भौतिकी के मौलिक अध्ययन में तथा क्वांटम मेट्रोलॉजी और क्वांटम क्रिप्टोग्राफी जैसे कई विविध अनुप्रयोगों में अत्यधिक कुशल और वर्णक्रमीय रूप से शुद्ध एकल फोटॉन स्रोत वांछनीय हैं, जहां उच्च शुद्धता और चमक के साथ व्यक्तिगत फोटॉन उत्पन्न करने और उनमें बदलाव करने की क्षमता एक परिवर्तनकारी है।

2डी सेमीकंडक्टर कोलाइडल क्वांटम वेल (सीक्‍यूडब्‍ल्‍य) अपनी विशाल ऑसिलेटर ताकत और बड़े अवशोषण क्रॉस सेक्शन के कारण नैनोस्केल फोटॉन स्रोतों के रूप में काफी उपयुक्त हैं। संकीर्ण अनुनादों को प्रदर्शित करने वाले डाइइलेक्ट्रिक मेटासर्फेस के साथ ऐसे स्रोतों का एकीकरण अत्यधिक कुशल प्रकाश-पदार्थ इंटरैक्शन और उच्च वर्णक्रमीय शुद्धता वाले ऑन-चिप प्रकाश स्रोतों के विकास के लिए एक उत्कृष्ट मंच प्रदान करता है।

भारतीय विज्ञान संस्थान (आईआईएससी), बेंगलुरू के शोधकर्ताओं ने ऑन-चिप फोटोनिक क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए कमरे के तापमान पर अभूतपूर्व उत्सर्जन रेखा संकुचन और लंबी दूरी के फोटॉन परिवहन को प्राप्त करने के लिए डाइइलेक्ट्रिक मेटासरफेस रेज़ोनेटर (एमएसआर) के साथ दो-आयामी (2डी) अर्धचालक कोलाइडल क्वांटम कुओं (सीक्यूडब्ल्यू) को एकीकृत किया है।

भारतीय विज्ञान संस्थान के भौतिकी विभाग के प्रो. जयदीप के. बसु के नेतृत्व में, सेंटर फॉर नैनो साइंस एंड इंजीनियरिंग (सीईएनएसई) के प्रो. शंकर कुमार सेल्वाराजा के सहयोग से, और टेक्सास ए एंड एम यूनिवर्सिटी के प्रो. गिरीश एस. अग्रवाल के सैद्धांतिक समर्थन से, अध्ययन कैडमियम सेलेनाइड (सीडीएसई)-आधारित सीक्‍यूडब्‍ल्‍यूएस को एक निर्देशित मोड एमएसआर के साथ एकीकृत करने को दर्शाता है। सिलिकॉन नाइट्राइड (एसआईएन) स्लैब-वेवगाइड प्लेटफ़ॉर्म पर निर्मित एमएसआर में स्क्वायर-लैटिस ज्यामिति में छिद्रों की एक सटीक व्यवस्था है। यह डिज़ाइन आउट-ऑफ़-प्लेन और इन-प्लेन दोनों दिशाओं में संकीर्ण अनुनादों को सक्षम करता है, जो सीक्‍यूडब्‍ल्‍यूएस के प्रकाश उत्सर्जन गुणों को प्रभावी ढंग से अनुकूल करता है।

एकीकरण ने उल्लेखनीय परिणाम प्राप्त किए, जिसमें चमक में 12 गुना वृद्धि और उत्सर्जित प्रकाश की वर्णक्रमीय रेखा की चौड़ाई में 97 प्रतिशत की कमी शामिल है, जिससे अद्वितीय वर्णक्रमीय शुद्धता सुनिश्चित हुई। यह वृद्धि एमएसआर की संकीर्ण-बैंड प्रतिक्रिया और सीक्‍यूडब्‍लयूएस से व्यापक उत्सर्जन के बीच वर्णक्रमीय ओवरलैप द्वारा सक्षम की गई थी। प्लेटफ़ॉर्म ने चिप में 1 मिमी तक लंबी दूरी के फोटॉन परिवहन का भी प्रदर्शन किया, जो कॉम्पैक्ट और कुशल क्वांटम डिवाइस बनाने की इसकी क्षमता को दर्शाता है।

प्रोफेसर बसु ने कहा, "हमारा काम दिखाता है कि कैसे सीक्यूडब्ल्यू जैसी नैनोस्केल सामग्री को प्रकाश उत्सर्जन और परिवहन पर असाधारण नियंत्रण प्राप्त करने के लिए फोटोनिक संरचनाओं के साथ सहजता से एकीकृत किया जा सकता है, जो कि अगली पीढ़ी के क्वांटम उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण है।"

शोधकर्ताओं ने उच्च परिशुद्धता के साथ उन्नत प्रकाश गुणों का अध्ययन करने के लिए डीएसटी-एफआईएसटी कार्यक्रम द्वारा वित्त पोषित फोटोल्यूमिनेसेंस (पीएल) माप के लिए अत्याधुनिक कॉन्फोकल सेटअप का उपयोग किया। प्रतिष्ठित पत्रिका एडवांस्ड ऑप्टिकल मैटेरियल्स में निष्कर्ष प्रकाशित हुए हैं ।

भविष्य की ओर देखते हुए, शोधकर्ताओं का लक्ष्य इस मंच का विस्तार करके एकल क्वांटम उत्सर्जकों (एसपीई) को एमएसआर के साथ एकीकृत करना है, ताकि अत्यधिक कुशल एकल-फोटॉन स्रोत तैयार किए जा सकें, जो क्वांटम क्रिप्टोग्राफी और क्वांटम सूचना प्रसंस्करण के लिए आवश्यक हैं।

एमएसआर की स्पेक्ट्रल फ़िल्टरिंग क्षमताओं को एसपीई के सटीक प्रकाश उत्सर्जन के साथ संयोजित करने से ऑन-चिप क्वांटम फोटोनिक्स में नई संभावनाएं खुल सकती हैं, जिससे सुरक्षित संचार और उन्नत संवेदन प्रौद्योगिकियां संभव हो सकती हैं।

 

चित्र 1: डीएसटी एफआईएसटी द्वारा वित्त पोषित कॉन्फोकल पीएल माइक्रोस्कोप से एकत्रित उत्सर्जन स्पेक्ट्रम।

चित्र कैप्शन: बायाँ पैनल - मुड़े हुए डब्‍ल्‍यूएसई2 का योजनाबद्ध। दायाँ पैनल - डब्‍ल्‍यूएसई2 के प्राकृतिक और मुड़े हुए द्विपरत से रमन स्पेक्ट्रा।

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