सार:
कोरिया एडवांस्ड इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (KAIST) की एक शोध टीम ने हाल ही में उस समस्या का समाधान निकाला है जिसने दशकों से सामग्री विज्ञान समुदाय को परेशान किया है: बेरियम टाइटेनेट क्रिस्टल विभिन्न तरंग दैर्ध्य के प्रकाश के साथ कैसे संपर्क करते हैं। पहली बार, शोधकर्ताओं ने इस सामग्री के आंतरिक ऑप्टिकल गुणों को अत्यंत विस्तृत वर्णक्रमीय रेंज में व्यवस्थित रूप से मापा है, जो उच्च गति, कम-नुकसान वाले ऑप्टिकल संचार उपकरणों के डिजाइन के लिए एक विश्वसनीय डेटा आधार प्रदान करता है।
13 नवंबर, 2026 को SciTechDaily की रिपोर्ट के अनुसार, इस शोध का नेतृत्व कोरिया इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के स्कूल ऑफ इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर जांग मिन सेओक ने किया था, और कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (कैलटेक), कोरियन इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड्स एंड साइंस और अमेरिकी जे.ए. के सहयोग से पूरा किया गया था। वूल्लम कंपनी। शोध के परिणाम 20 अक्टूबर, 2026 को "एसीएस फोटोनिक्स" पत्रिका में प्रकाशित हुए।
बेरियम टाइटेनेट (BaTiO₃, जिसे BTO कहा जाता है) विशेष इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रभाव वाला एक क्रिस्टल पदार्थ है। इसकी सबसे महत्वपूर्ण विशेषताओं में से एक बाहरी विद्युत क्षेत्र की कार्रवाई के तहत अपने अपवर्तक सूचकांक को बदलने की क्षमता है, अर्थात सामग्री के अंदर प्रकाश के प्रसार की गति और दिशा को बदलना। यह घटना, जिसे पॉकेल्स प्रभाव के रूप में जाना जाता है, बेरियम टाइटेनेट को हाई-स्पीड लाइट मॉड्यूलेटर बनाने के लिए एक महत्वपूर्ण उम्मीदवार बनाती है।
ऑप्टिकल संचार प्रणाली में ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर एक प्रमुख घटक है। इसका कार्य विद्युत संकेतों को ऑप्टिकल सिग्नल में परिवर्तित करना और प्रकाश की तीव्रता, चरण या ध्रुवीकरण स्थिति को नियंत्रित करके डिजिटल जानकारी को ऑप्टिकल वाहक पर एन्कोड करना है। जैसे-जैसे डेटा केंद्रों, कृत्रिम बुद्धिमत्ता कंप्यूटिंग क्लस्टर और हाई-स्पीड इंटरनेट में ट्रांसमिशन बैंडविड्थ की मांग बढ़ती जा रही है, ऐसी सामग्री जो प्रकाश संकेतों को जल्दी और सटीक रूप से नियंत्रित कर सकती है, तेजी से महत्वपूर्ण होती जा रही है।
हालाँकि, हालांकि बेरियम टाइटेनेट के इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल गुणों ने लंबे समय से शोधकर्ताओं का ध्यान आकर्षित किया है, इसके बुनियादी ऑप्टिकल पैरामीटर लंबे समय से असंगत माप परिणामों के अधीन रहे हैं। विभिन्न प्रयोगशालाओं द्वारा प्रकाशित अपवर्तक सूचकांक और प्रकाश अवशोषण डेटा बहुत भिन्न होता है, जिससे इंजीनियरों के लिए इस सामग्री के अंदर प्रकाश के प्रसार की सटीक भविष्यवाणी करना मुश्किल हो जाता है, और डिवाइस डिजाइन और निर्माण के दौरान परीक्षण और त्रुटि की लागत भी बढ़ जाती है।
इस समस्या की कुंजी यह है कि बेरियम टाइटेनेट क्रिस्टल के आंतरिक भाग में हमेशा पूरी तरह से सुसंगत संरचना नहीं होती है।
बेरियम टाइटेनेट क्रिस्टल में कई छोटे क्षेत्र हो सकते हैं जिन्हें डोमेन कहा जाता है। इन क्षेत्रों में अलग-अलग क्रिस्टलोग्राफिक अभिविन्यास और ध्रुवीकरण दिशाएं हैं, और इसलिए प्रकाश के प्रति बिल्कुल समान प्रतिक्रिया नहीं करते हैं। जब एक माप उपकरण एक ही समय में विभिन्न अभिविन्यासों के कई क्षेत्रों से संकेत प्राप्त करता है, तो वास्तव में जो प्राप्त होता है वह सामग्री के सबसे बुनियादी आंतरिक ऑप्टिकल गुणों के बजाय कई ऑप्टिकल प्रतिक्रियाओं का मिश्रण होता है।
इस समस्या को हल करने के लिए, अनुसंधान टीम ने अपेक्षाकृत समान क्रिस्टल अभिविन्यास के साथ दो उच्च-गुणवत्ता वाले एकल-क्रिस्टल बेरियम टाइटेनेट नमूनों का चयन किया, और क्रिस्टल के अंदर संरचनात्मक दिशा को स्पष्ट बनाने और विभिन्न डोमेन के बीच हस्तक्षेप को कम करने के लिए ए-कट और सी-कट काटने के तरीकों का इस्तेमाल किया।
शोधकर्ताओं ने म्यूएलर-मैट्रिक्स स्पेक्ट्रोस्कोपिक इलिप्सोमेट्री नामक एक उन्नत माप तकनीक का उपयोग किया। यह विधि परावर्तित होने या सामग्री से गुजरने के बाद प्रकाश की ध्रुवीकरण स्थिति में परिवर्तन का पता लगाती है, और अपवर्तक सूचकांक, अवशोषण विशेषताओं और सामग्री के अन्य ऑप्टिकल मापदंडों का अनुमान लगा सकती है।
सामान्य ऑप्टिकल माप की तुलना में, म्यूएलर मैट्रिक्स विधि प्रकाश के ध्रुवीकरण परिवर्तनों का पूरी तरह से विश्लेषण कर सकती है, और जटिल क्रिस्टल संरचनाओं और अनिसोट्रोपिक विशेषताओं वाली सामग्रियों का अध्ययन करने के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है।
यह शोध 190 नैनोमीटर से 40 माइक्रोन तक की अत्यंत विस्तृत तरंग दैर्ध्य रेंज को कवर करता है, जो पराबैंगनी प्रकाश, दृश्य प्रकाश, निकट-अवरक्त प्रकाश, मध्य-अवरक्त प्रकाश और दूर-अवरक्त प्रकाश तक फैली हुई है। चूंकि विभिन्न तरंग दैर्ध्य क्षेत्रों में बेरियम टाइटेनेट के ऑप्टिकल व्यवहार में स्पष्ट अंतर हैं, इसलिए अनुसंधान टीम ने पूरी माप सीमा को तीन वर्णक्रमीय क्षेत्रों में विभाजित किया और अंततः विभिन्न तरंग दैर्ध्य और क्रिस्टल अभिविन्यास पर सामग्री के अपवर्तक सूचकांक और अवशोषण गुणांक प्राप्त करने के लिए क्रमशः उचित विश्लेषण विधियों का उपयोग किया।
शोधकर्ताओं ने गणितीय विश्लेषण विधियों का एक सेट भी स्थापित किया है जो क्रिस्टल के भीतर विभिन्न डोमेन के अभिविन्यास और अनुपात के आधार पर पूरे क्रिस्टल की व्यापक ऑप्टिकल प्रतिक्रिया की गणना कर सकता है। इसका मतलब यह है कि भले ही वास्तविक डिवाइस में इस्तेमाल किए गए बेरियम टाइटेनेट क्रिस्टल के भीतर अलग-अलग अभिविन्यास वाले कई क्षेत्र हों, इंजीनियर मॉडल के माध्यम से इसके समग्र ऑप्टिकल व्यवहार का अनुमान लगा सकते हैं।
एक और महत्वपूर्ण सफलता यह है कि अनुसंधान टीम ने लगभग पारदर्शी बैंड में बेरियम टाइटेनेट के बेहद कमजोर प्रकाश अवशोषण को सफलतापूर्वक मापा।
ऑप्टिकल संचार उपकरणों में, जब ऑप्टिकल सिग्नल सामग्री के माध्यम से फैलते हैं, तो लंबी दूरी के ट्रांसमिशन या बहु-स्तरीय डिवाइस कनेक्शन के दौरान अवशोषण की थोड़ी मात्रा भी महत्वपूर्ण सिग्नल हानि में जमा हो सकती है। इसलिए, उच्च दक्षता वाले ऑप्टिकल वेवगाइड और फोटोनिक चिप्स को डिजाइन करने के लिए सामग्रियों के अवशोषण गुणांक को सटीक रूप से समझना महत्वपूर्ण है।
शोधकर्ताओं ने 2 से 10 माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य रेंज में लगभग 10⁻⁵ तक बेरियम टाइटेनेट के विलुप्त होने के गुणांक को सफलतापूर्वक निर्धारित करने के लिए स्वतंत्र संप्रेषण माप के साथ एलिप्सोमेट्री को जोड़ा। विलुप्ति गुणांक उस डिग्री को दर्शाता है जिस तक कोई सामग्री प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करती है। मूल्य जितना कम होगा, सामग्री के अंदर प्रकाश फैलने पर अवशोषण हानि उतनी ही कम होगी।
इस डेटा के साथ, इंजीनियर अधिक सटीक रूप से अनुमान लगा सकते हैं कि प्रकाश विभिन्न आकारों और आकृतियों की वेवगाइड संरचनाओं में कैसे फैलेगा और सामग्री से गुजरते समय कितनी ऊर्जा खो जाएगी, जिससे वास्तव में डिवाइस बनाने से पहले अधिक विश्वसनीय डिजाइन और सिमुलेशन की अनुमति मिलती है।
शोध टीम का मानना है कि इन परिणामों को उच्च गति वाले ऑप्टिकल संचार मॉड्यूलेटर, नए तरंग दैर्ध्य ऑप्टिकल सिग्नल उत्पन्न करने में सक्षम ऑप्टिकल उपकरणों और फोटोनिक एकीकृत सर्किट पर लागू होने की उम्मीद है जो क्वांटम जानकारी को संसाधित करने के लिए प्रकाश का उपयोग करते हैं।
उनमें से, ऑप्टिकल संचार मॉड्यूलेटर सबसे प्रत्यक्ष संभावित अनुप्रयोगों में से एक हैं। भविष्य में, डेटा केंद्रों और संचार नेटवर्क को तेजी से बड़े डेटा ट्रैफ़िक को संभालने की आवश्यकता होगी, और पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक इंटरकनेक्शन को धीरे-धीरे बिजली की खपत, ट्रांसमिशन दूरी और बैंडविड्थ के मामले में सीमाओं का सामना करना पड़ेगा। डेटा संचारित और संसाधित करने के लिए फोटोनिक उपकरणों का उपयोग करने से विद्युत सिग्नल ट्रांसमिशन के कारण होने वाली ऊर्जा खपत और देरी को कुछ हद तक कम किया जा सकता है।
अपनी मजबूत इलेक्ट्रो-ऑप्टिकल प्रतिक्रिया के साथ, बेरियम टाइटेनेट से तेज प्रतिक्रिया समय और कम ऊर्जा खपत के साथ ऑप्टिकल मॉड्यूलेटर बनाने में मदद मिलने की उम्मीद है। इस शोध द्वारा प्रदान किए गए सटीक ऑप्टिकल पैरामीटर डिजाइनरों द्वारा बार-बार विभिन्न संरचनाओं के निर्माण और परीक्षण की लागत को कम कर सकते हैं, और प्रयोगशाला से व्यावहारिक अनुप्रयोगों तक संबंधित उपकरणों की प्रक्रिया को तेज कर सकते हैं।
KAIST के प्रोफेसर जंग मिन सेओक ने कहा कि यह शोध बेरियम टाइटेनेट की ऑप्टिकल प्रतिक्रिया का खुलासा करता है जिसे लंबे समय तक पूरी तरह से समझा नहीं जा सका है, जो इस सामग्री और प्रकाश के बीच बातचीत को समझने के लिए विश्वसनीय संदर्भ डेटा प्रदान करता है। उनका मानना है कि प्रासंगिक परिणामों से कम-नुकसान, उच्च गति वाले ऑप्टिकल संचार उपकरणों के विकास को बढ़ावा मिलने की उम्मीद है, और क्वांटम फोटोनिक उपकरणों के लिए बुनियादी समर्थन भी प्रदान किया जाएगा, जिन्हें ऑप्टिकल संकेतों के सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि इस शोध ने स्वयं नए हाई-स्पीड इंटरनेट उपकरण नहीं बनाए, न ही इसने सीधे तौर पर नेटवर्क ट्रांसमिशन गति में सुधार प्रदर्शित किया। यह एक प्रमुख सामग्री के अस्पष्ट बुनियादी ऑप्टिकल मापदंडों की दीर्घकालिक समस्या को हल करता है। इन डेटा को वास्तव में तेज़ ऑप्टिकल संचार प्रणालियों में बदलने के लिए, बाद के डिवाइस डिज़ाइन, विनिर्माण और प्रदर्शन सत्यापन की आवश्यकता होती है।
हालाँकि, फोटोनिक चिप्स और अगली पीढ़ी की ऑप्टिकल संचार प्रौद्योगिकी के लिए, इंजीनियरिंग सफलताओं को प्राप्त करने के लिए सामग्री की विशेषताओं को सटीक रूप से समझना अक्सर एक महत्वपूर्ण शर्त होती है। यह शोध बेरियम टाइटेनेट उपकरणों के डिजाइन में दीर्घकालिक अनिश्चितता को कम करता है और उच्च गति, अधिक ऊर्जा-कुशल ऑप्टिकल कंप्यूटिंग और संचार उपकरणों के भविष्य के विकास के लिए एक नया आधार प्रदान करता है।
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