Plasmonic metamaterial
પ્લાઝમોનિક મેટામેટેરિયલ એ એક મેટામેટેરિયલ છે જે પ્રકૃતિમાં ન જોવા મળતા ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મો પ્રાપ્ત કરવા માટે સપાટીના પ્લાઝમોનનો ઉપયોગ કરે છે. પ્લાઝમન્સ ધાતુ-ડાયલેક્ટ્રિક સામગ્રી સાથે પ્રકાશની ક્રિયાપ્રતિક્રિયામાંથી ઉત્પન્ન થાય છે. ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં, સપાટીના પ્લાઝમોન સાથે ઘટના પ્રકાશ યુગલો સ્વયં-ટકાઉ બનાવવા માટે, સપાટીના પ્લાઝમોન ધ્રુવીકરણ (એસ. પી. પી.) તરીકે ઓળખાતા વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોનો પ્રસાર કરે છે. એકવાર લોન્ચ થયા પછી, એસ. પી. પી. ધાતુ-ડાયલેક્ટ્રિક ઇન્ટરફેસ સાથે લહેરાય છે. ઘટના પ્રકાશની તુલનામાં, એસ. પી. પી. તરંગલંબાઇમાં ઘણી ટૂંકી હોઈ શકે છે. આ ગુણધર્મો ધાતુ-ડાયલેક્ટ્રિક સંયોજનોની અનન્ય રચનામાંથી ઉદ્ભવે છે, જેમાં ઉપ-તરંગલંબાઇ અંતર દ્વારા અલગ કરવામાં આવેલા પ્રકાશની તરંગલંબાઇ કરતાં નાની લાક્ષણિકતાઓ છે. આવા મેટામેટેરિયલને અથડાતો પ્રકાશ સપાટીના પ્લાઝમોન પોલારિટોન્સમાં રૂપાંતરિત થાય છે, જે આપતિત પ્રકાશ કરતાં તરંગલંબાઇમાં ટૂંકા હોય છે. પ્લાઝમોનિક સામગ્રી પ્લાઝમોનિક સામગ્રી એ ધાતુઓ અથવા ધાતુ જેવી સામગ્રી છે જે નકારાત્મક વાસ્તવિક પારગમ્યતા દર્શાવે છે. સૌથી સામાન્ય પ્લાઝમોનિક સામગ્રી સોના અને ચાંદી છે. જો કે, અન્ય ઘણી સામગ્રીઓ ચોક્કસ તરંગલંબાઇની શ્રેણીમાં ધાતુ જેવા ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મો દર્શાવે છે. વિવિધ સંશોધન જૂથો પ્લાઝમોનિક સામગ્રી બનાવવા માટે વિવિધ અભિગમો સાથે પ્રયોગ કરી રહ્યા છે જે ઓછા નુકસાન અને ટ્યુન કરી શકાય તેવા ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મો દર્શાવે છે. નકારાત્મક અનુક્રમણિકા પ્લાઝમોનિક મેટામેટ્રિયલ્સ એ 1967 માં રશિયન સૈદ્ધાંતિક ભૌતિકશાસ્ત્રી વિક્ટર વેસેલાગો દ્વારા સૌપ્રથમ પ્રસ્તાવિત સામગ્રીની અનુભૂતિ છે. ડાબા હાથની અથવા નકારાત્મક અનુક્રમણિકા સામગ્રી તરીકે પણ ઓળખાતી, વેસેલાગોએ સિદ્ધાંત આપ્યો હતો કે તેઓ કાચ અથવા હવાની વિરુદ્ધ ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મો પ્રદર્શિત કરશે. નકારાત્મક અનુક્રમણિકા સામગ્રીમાં ઊર્જાનું પરિવહન તરંગમુખના પ્રસારની વિરુદ્ધ દિશામાં થાય છે, તેમને સમાંતર કરવાને બદલે, જેમ કે હકારાત્મક અનુક્રમણિકા સામગ્રીમાં થાય છે. સામાન્ય રીતે, હવાથી પાણીમાં મુસાફરી કરતો પ્રકાશ સામાન્ય (સપાટી પર લંબરૂપ સમતલ) માંથી પસાર થાય છે અને પાણીમાં પ્રવેશ કરે છે. તેનાથી વિપરીત, હવા દ્વારા નકારાત્મક અનુક્રમણિકા સામગ્રી સુધી પહોંચતો પ્રકાશ સામાન્યને પાર નહીં કરે. તેના બદલે, તે વિરુદ્ધ દિશામાં વળશે. નકારાત્મક રીફ્રેક્શન સૌપ્રથમ માઇક્રોવેવ અને ઇન્ફ્રારેડ ફ્રીક્વન્સી માટે નોંધવામાં આવ્યું હતું. ઓપ્ટિકલ શ્રેણીમાં નકારાત્મક રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ સૌપ્રથમ 2005 માં શલેવ એટ અલ દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યો હતો. (ટેલિકોમ તરંગલંબાઇ પર λ = 1.5 માઇક્રોન) અને બ્રૂક એટ અલ દ્વારા. (λ = 2 માઇક્રોન પર) લગભગ એક જ સમયે. 2007માં, કેલિફોર્નિયા ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજી અને એન. આઈ. એસ. ટી. વચ્ચેના સહયોગમાં સાંકડી પટ્ટી, બે પરિમાણોમાં દૃશ્યમાન પ્રકાશના નકારાત્મક રીફ્રેક્શનની જાણ કરવામાં આવી હતી. આ પ્રતિક્રિયા બનાવવા માટે, ધાતુઓની સપાટી પર સામાન્ય રીતે તરંગિત, ગેસ જેવા ચાર્જ (પ્લાઝમોન) સાથે હળવા યુગલોને બનાવો. આ ફોટોન-પ્લાઝમોન ક્રિયાપ્રતિક્રિયા એસ. પી. પી. માં પરિણમે છે જે તીવ્ર, સ્થાનિક ઓપ્ટિકલ ક્ષેત્રો ઉત્પન્ન કરે છે. તરંગો ધાતુ અને અવાહક વચ્ચેના આંતરછેદ સુધી મર્યાદિત હોય છે. આ સાંકડી ચેનલ પરિવર્તનકારી માર્ગદર્શિકા તરીકે કામ કરે છે, જે અસરકારક રીતે, આવતા પ્રકાશની તરંગલંબાઇને તેના મૂળ મૂલ્યના અપૂર્ણાંકમાં ફસાવશે અને સંકુચિત કરશે. મેટામેટ્રિયલ્સનો સમાવેશ કરતી નેનોમિકેનિકલ સિસ્ટમો નકારાત્મક કિરણોત્સર્ગ દબાણ દર્શાવે છે. પરંપરાગત સામગ્રી પર પડતો પ્રકાશ, રીફ્રેક્શનના હકારાત્મક સૂચકાંક સાથે, હકારાત્મક દબાણ કરે છે, જેનો અર્થ છે કે તે કોઈ વસ્તુને પ્રકાશ સ્રોતથી દૂર ધકેલી શકે છે. તેનાથી વિપરીત, નકારાત્મક અનુક્રમણિકા મેટામેટ્રિયલ્સને પ્રકાશિત કરવાથી નકારાત્મક દબાણ પેદા થવું જોઈએ જે પદાર્થને પ્રકાશ તરફ ખેંચે છે. ત્રિ-પરિમાણીય નકારાત્મક અનુક્રમણિકા કમ્પ્યુટર સિમ્યુલેશન ત્રણ પરિમાણોમાં નકારાત્મક અનુક્રમણિકા સાથે પ્લાઝમોનિક મેટામેટ્રિયલ્સની આગાહી કરે છે. સંભવિત બનાવટ પદ્ધતિઓમાં બહુસ્તરીય પાતળી ફિલ્મ જમા કરવી, કેન્દ્રિત આયન બીમ મિલિંગ અને સ્વ-એસેમ્બલીનો સમાવેશ થાય છે. ગ્રેડિયન્ટ ઇન્ડેક્સ પી. એમ. એમ. ને ગ્રેડિયન્ટ ઇન્ડેક્સ સાથે બનાવી શકાય છે (એવી સામગ્રી કે જેનો રીફ્રેક્ટિવ ઇન્ડેક્સ સામગ્રીની લંબાઈ અથવા વિસ્તારમાં ક્રમશઃ બદલાય છે). આવી જ એક સામગ્રીમાં ઇલેક્ટ્રોન બીમ લિથોગ્રાફી દ્વારા સોનાની સપાટી પર થર્મોપ્લાસ્ટિક જમા કરવાનું સામેલ હતું, જેને પીએમએમએ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. હાયપરબોલિક હાયપરબોલિક મેટામેટ્રિયલ્સ એક ધાતુ તરીકે વર્તે છે જ્યારે પ્રકાશ તેમાંથી એક દિશામાં પસાર થાય છે અને જ્યારે પ્રકાશ લંબરૂપ દિશામાં પસાર થાય છે ત્યારે ડાઇલેક્ટ્રિકની જેમ વર્તે છે, જેને એક્સ્ટ્રીમ અનિસોટ્રોપી કહેવાય છે. પદાર્થનો પ્રસરણ સંબંધ હાયપરબોલોઇડ બનાવે છે. સંબંધિત તરંગલંબાઇ સિદ્ધાંતમાં અનંત રીતે નાની હોઈ શકે છે. તાજેતરમાં, દૃશ્યમાન પ્રદેશમાં હાયપરબોલિક મેટાસર્ફેસને લિથોગ્રાફિક તકનીકો દ્વારા ચાંદી અથવા સોનાની નેનોસ્ટ્રક્ચર્સ સાથે દર્શાવવામાં આવી છે. અહેવાલિત હાયપરબોલિક ઉપકરણોએ સેન્સિંગ અને ઇમેજિંગ માટે બહુવિધ કાર્યો દર્શાવ્યા, દા. ત., વિવર્તન-મુક્ત, નકારાત્મક રીફ્રેક્શન અને ઉન્નત પ્લાઝમોન રેઝોનન્સ અસરો, તેમના અનન્ય ઓપ્ટિકલ ગુણધર્મો દ્વારા સક્ષમ. આ વિશિષ્ટ ગુણધર્મો ક્વોન્ટમ માહિતી કાર્યક્રમો માટે સંકલિત ઓપ્ટિકલ મેટા-સર્કિટ બનાવવા માટે પણ ખૂબ જરૂરી છે. આઇસોટ્રોપી સર્જિત પ્રથમ મેટામેટ્રિયલ્સ પ્લાઝમોન પર તેમની અસરોમાં એનિસોટ્રોપી દર્શાવે છે. એટલે કે, તેઓ માત્ર એક જ દિશામાં કામ કરે છે. તાજેતરમાં, સંશોધકોએ સ્પ્લિટ-રિંગ રેઝોનેટરની ત્રિ-પરિમાણીય શ્રેણી બનાવવા માટે એક નવીન સ્વ-ફોલ્ડિંગ તકનીકનો ઉપયોગ કર્યો હતો જે 40 ડિગ્રીના ઘટના ખૂણા સુધી કોઈપણ દિશામાં ફેરવવામાં આવે ત્યારે આઇસોટ્રોપી દર્શાવે છે. પોલિમર/સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પર હવામાં જમા થયેલા નિકલ અને સોનાના પટ્ટાને ખુલ્લા પાડવાથી યાંત્રિક તાણ પટ્ટાને રિંગ્સમાં વળાંક આપે છે, જે રેઝોનેટર બનાવે છે. સ્ટ્રીપ્સને એકબીજા સાથે જુદા જુદા ખૂણાઓ પર ગોઠવીને, 4-ગણો સમપ્રમાણતા પ્રાપ્ત કરવામાં આવી હતી, જેણે રેઝોનેટરને બહુવિધ દિશામાં અસરો ઉત્પન્ન કરવાની મંજૂરી આપી હતી. સામગ્રી સિલિકોન સેન્ડવિચ દૃશ્યમાન પ્રકાશ માટે નકારાત્મક રીફ્રેક્શન પ્રથમ પાતળા સ્તરો સાથે સેન્ડવિચ જેવા બાંધકામમાં ઉત્પન્ન કરવામાં આવ્યું હતું. સિલિકોન નાઇટ્રાઇડની અવાહક શીટને ચાંદીની ફિલ્મ દ્વારા આવરી લેવામાં આવી હતી અને સોનાની બીજી ફિલ્મ દ્વારા નીચે દોરવામાં આવી હતી. નિર્ણાયક પરિમાણ એ સ્તરોની જાડાઈ છે, જે વાદળી અને લીલા પ્રકાશની તરંગલંબાઇના અપૂર્ણાંકનો સરવાળો કરે છે. આઇસી ચિપ પર સંકલિત ઓપ્ટિક્સમાં આ મેટામેટેરિયલનો સમાવેશ કરીને, વાદળી અને લીલી આવૃત્તિઓ પર નકારાત્મક રીફ્રેક્શન દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. સામૂહિક પરિણામ એ પ્રકાશને પ્રમાણમાં નોંધપાત્ર પ્રતિસાદ છે. ગ્રાફિન ગ્રાફિન સપાટીના પ્લાઝમોનને પણ સમાવી લે છે, જે નજીકના ક્ષેત્ર ઇન્ફ્રારેડ ઓપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપી તકનીકો અને ઇન્ફ્રારેડ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી દ્વારા અવલોકન કરવામાં આવે છે. ગ્રાફિન પ્લાઝમોનિક્સના સંભવિત ઉપયોગોમાં ઓપ્ટિકલ મોડ્યુલેટર્સ, ફોટોડિટેક્ટર્સ અને બાયોસેન્સર જેવા ઉપકરણોમાં ટેરાહર્ટ્ઝથી મિડઇન્ફ્રારેડ ફ્રીક્વન્સીઝનો સમાવેશ થાય છે. સુપરલેટીસ ટાઇટેનિયમ નાઇટ્રાઇડ (ધાતુ) અને એલ્યુમિનિયમ સ્કેન્ડિયમ નાઇટ્રાઇડ (ડાઇલેક્ટ્રિક) થી બનેલી હાયપરબોલિક મેટામેટેરિયલ સુસંગત સ્ફટિક માળખાં ધરાવે છે અને સુપરલેટીસ બનાવી શકે છે, એક સ્ફટિક જે બે (અથવા વધુ) સામગ્રીને જોડે છે. આ સામગ્રી હાલની CMOS ટેકનોલોજી (પરંપરાગત સોના અને ચાંદીથી વિપરીત) સાથે સુસંગત છે, યાંત્રિક રીતે મજબૂત અને ઊંચા તાપમાને ઉષ્મીય રીતે સ્થિર છે. આ સામગ્રી એયુ અથવા એજી કરતાં વધુ ફોટોનિક ઘનતા દર્શાવે છે. આ સામગ્રી એક કાર્યક્ષમ પ્રકાશ શોષક છે. મેગ્નેટ્રોન સ્પટરિંગ તરીકે ઓળખાતી તકનીક સાથે વેક્યૂમ ચેમ્બરની અંદર એપિટેક્સીનો ઉપયોગ કરીને સામગ્રી બનાવવામાં આવી હતી. સામગ્રીમાં તીક્ષ્ણ ઇન્ટરફેસ સાથે અતિ-પાતળા અને અતિ-સરળ સ્તરો દર્શાવવામાં આવ્યા હતા. સંભવિત ઉપયોગોમાં "પ્લાનર હાયપરલેન્સ" નો સમાવેશ થાય છે જે ઓપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપને ડીએનએ, અદ્યતન સેન્સર, વધુ કાર્યક્ષમ સૌર સંગ્રાહકો, નેનો-રિઝોનેટર, ક્વોન્ટમ કમ્પ્યુટિંગ અને વિવર્તન મુક્ત ધ્યાન કેન્દ્રિત અને ઇમેજિંગ જેવા નાના પદાર્થોને જોવા માટે સક્ષમ બનાવી શકે છે. સામગ્રી નજીકના ઇન્ફ્રારેડથી દૃશ્યમાન પ્રકાશ સુધી વ્યાપક સ્પેક્ટ્રમમાં કામ કરે છે. નજીકના ઇન્ફ્રારેડ ટેલિકોમ્યુનિકેશન અને ઓપ્ટિકલ સંચાર માટે જરૂરી છે, અને દૃશ્યમાન પ્રકાશ સેન્સર, માઇક્રોસ્કોપ અને કાર્યક્ષમ સોલિડ-સ્ટેટ પ્રકાશ સ્રોતો માટે મહત્વપૂર્ણ છે. એપ્લિકેશન્સ માઇક્રોસ્કોપી એક સંભવિત એપ્લિકેશન માઇક્રોસ્કોપી છે જે વિવર્તન મર્યાદાની બહાર છે. ગ્રેડિયન્ટ ઇન્ડેક્સ પ્લાઝમોનિક્સનો ઉપયોગ લ્યુનબર્ગ અને ઈટોન લેન્સ બનાવવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો જે ફોટોનને બદલે સપાટીના પ્લાઝમોન પોલરિટોન સાથે સંપર્ક કરે છે. એક થિયોરાઇઝ્ડ સુપરલેન્સ વિવર્તન મર્યાદાને વટાવી શકે છે જે પ્રમાણભૂત (પોઝિટિવ-ઇન્ડેક્સ) લેન્સને દૃશ્યમાન પ્રકાશની તરંગલંબાઇના અડધાથી નાની વસ્તુઓને ઉકેલતા અટકાવે છે. આવા સુપરલેન્સ અવકાશી માહિતી મેળવશે જે પરંપરાગત ઓપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપની દૃષ્ટિથી બહાર છે. આવા માઇક્રોસ્કોપના નિર્માણ માટે ઘણા અભિગમો સૂચવવામાં આવ્યા છે. ઉપ-તરંગલંબાઇ ક્ષેત્ર ઓપ્ટિકલ સ્વીચો, મોડ્યુલેટર, ફોટોડિટેક્ટર અને દિશાસૂચક પ્રકાશ ઉત્સર્જકો હોઈ શકે છે. જૈવિક અને રાસાયણિક સંવેદના સમીક્ષા હેઠળના અન્ય પ્રૂફ-ઓફ-કન્સેપ્ટ એપ્લિકેશન્સમાં ઉચ્ચ સંવેદનશીલતા જૈવિક અને રાસાયણિક સંવેદનનો સમાવેશ થાય છે. તેઓ ઓપ્ટિકલ સેન્સરના વિકાસને સક્ષમ કરી શકે છે જે ચોક્કસ પ્રકારના ફેબ્રી-પેરોટ નેનો-રેઝોનેટરની અંદર સપાટીના પ્લાઝમોનની મર્યાદાનો ઉપયોગ કરે છે. આ અનુરૂપ બંધન ઓપ્ટિકલ રેઝોનેટર મોડ અને રેઝોનેટર પોલાણની બાજુની દિવાલો સાથે બંધાયેલા એનાલાઇટ લિગાન્ડ્સ વચ્ચેના અવકાશી ઓવરલેપનો ઉપયોગ કરીને લક્ષ્ય રાસાયણિક અથવા જૈવિક વિશ્લેષકોના ચોક્કસ બંધનની કાર્યક્ષમ શોધને મંજૂરી આપે છે. સ્ટ્રક્ચર્સ મર્યાદિત ડિફરન્સ ટાઇમ ડોમેન ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સિમ્યુલેશનનો ઉપયોગ કરીને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં આવે છે, ઇલેક્ટ્રોન બીમ લિથોગ્રાફી અને ઇલેક્ટ્રોપ્લેટિંગના સંયોજનનો ઉપયોગ કરીને બનાવવામાં આવે છે, અને નજીકના ક્ષેત્ર અને દૂરના ક્ષેત્રની ઓપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપી અને સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી બંનેનો ઉપયોગ કરીને પરીક્ષણ કરવામાં આવે છે. ઓપ્ટિકલ કમ્પ્યુટિંગ પ્રકાશ પ્રક્રિયા ઉપકરણો સાથે ઇલેક્ટ્રોનિક સંકેતોને બદલે છે. 2014માં સંશોધકોએ 200 નેનોમીટર, ટેરાહર્ટ્ઝ સ્પીડ ઓપ્ટિકલ સ્વીચની જાહેરાત કરી હતી. સ્વીચ વેનેડિયમ ડાયોક્સાઇડ () ના નેનોસ્કેલ કણોથી બનેલા મેટામેટેરિયલથી બનેલો છે, એક સ્ફટિક જે અપારદર્શક, ધાતુના તબક્કા અને પારદર્શક, અર્ધવાહક તબક્કા વચ્ચે બદલાય છે. નેનોપાર્ટિકલ્સ કાચના સબસ્ટ્રેટ પર જમા થાય છે અને નાના સોનાના નેનોપાર્ટિકલ્સ દ્વારા ઓવરલાઇન થાય છે જે પ્લાઝમોનિક ફોટોકેથોડ તરીકે કામ કરે છે. ફેમ્ટોસેકન્ડ લેસર સોનાના કણોમાં ઇલેક્ટ્રોન મુક્ત કરે છે જે તેમાં કૂદી પડે છે અને સબપિકોસેકન્ડ તબક્કામાં ફેરફારનું કારણ બને છે. આ ઉપકરણ વર્તમાન સંકલિત સર્કિટ ટેકનોલોજી, સિલિકોન આધારિત ચિપ્સ અને ઉચ્ચ-કે ડાઇલેક્ટ્રિક સામગ્રી સાથે સુસંગત છે. તે વર્ણપટના દૃશ્યમાન અને નજીકના ઇન્ફ્રારેડ પ્રદેશમાં કાર્ય કરે છે. તે માત્ર 100 ફેમ્ટોજૂલ/બિટ/ઓપરેશન પેદા કરે છે, જેનાથી સ્વીચોને ચુસ્ત રીતે પેક કરી શકાય છે. ફોટોવોલ્ટેઇક સોનાના જૂથની ધાતુઓ (એયુ, એજી અને ક્યુ) નો ઉપયોગ ફોટોવોલ્ટેઇક અને સૌર કોષોમાં સીધી સક્રિય સામગ્રી તરીકે થાય છે. સામગ્રીઓ એક સાથે ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્ર દાતા તરીકે કાર્ય કરે છે, અને આમ ફોટોવોલ્ટેઇક કોષ બનાવવા માટે ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્ર પરિવહન સ્તરો વચ્ચે સેન્ડવિચ કરી શકાય છે. હાલમાં આ ફોટોવોલ્ટેઇક કોષો ઇન્ટરનેટ ઓફ થિંગ્સ (આઇઓટી) પ્લેટફોર્મ માટે સ્માર્ટ સેન્સરને શક્તિ આપવાની મંજૂરી આપે છે. મેટામેટેરિયલ્સ મેટામેટેરિયલ એબ્સોર્બર મેટામેટેરિયલ એન્ટેનાનો ઇતિહાસ પણ જુઓ મેટામેટેરિયલ ક્લોકિંગ નોનલાઇનિયર મેટામેટેરિયલ્સ ફોટોનિક ક્રિસ્ટલ સ્પૂફ સરફેસ પ્લાઝમોન ટેરાહર્ટ્ઝ મેટામેટેરિયલ્સ ટ્યુનેબલ મેટામેટેરિયલ્સ ટ્રાન્સફોર્મેશન ઓપ્ટિક્સ થિયરીઝ ઓફ ક્લોકિંગ રેફરન્સ વધુ વાંચન વિલિયમ એલ. બાર્ન્સ દ્વારા આયોજિત અને સંપાદિત થિયો મર્ફી મીટિંગ ઇશ્યૂ. બાહ્ય કડીઓ પ્લાઝમોનિક મેટામેટ્રિયલ્સ-માઇક્રોસ્કોપથી માંડીને અદ્રશ્ય ઝભ્ભો સુધી. 21 જાન્યુઆરી, 2011. PhysOrg.com. મેટામેટ્રિયલ્સ નેનોટેકનોલોજી પ્લાઝમોનિક્સ