दरके हुए सूक्ष्म-क्रिस्टल जो जुड़कर फिर से प्रकाश को क़ैद करते हैं

फ़ोटोनिक उपकरण छोटे होते जा रहे हैं: प्रकाश को ले जाने वाले गाइड, उसे क़ैद करने वाले अनुनादक (resonators), लेज़र। उस पैमाने पर एक सूक्ष्म दरार ही उन्हें बिगाड़ने के लिए काफ़ी है। लेखक लिखते हैं कि कार्बनिक प्रकाशीय क्रिस्टलों में दरारें कैसे बनती और भरती हैं, यह “काफ़ी हद तक अनछुआ” है।

अपनी दरारें ख़ुद भरने वाले क्रिस्टल, उनके शब्दों में, “एक दुर्लभ और उल्लेखनीय परिघटना” हैं। शोधपत्र में उद्धृत पुराने उदाहरणों में सेंधा नमक, पोटैशियम क्लोराइड और एलुमिना, और कई आणविक क्रिस्टल शामिल हैं। लेकिन उनमें से ज़्यादातर मिलीमीटर से सेंटीमीटर तक लंबे थे, जिन्हें चिमटी और सुइयों से सँभाला जाता था। कुछ धीरे-धीरे जुड़ते थे: लगभग 3 मिलीमीटर लंबे क्रिस्टल 24 घंटे तक दबाए जाने के बाद केवल 6.7% ही उबर पाए। कुछ अन्य, सुई के आकार वाले, मिलीसेकंडों में फिर से जुड़ गए।

हथौड़े के रूप में सूक्ष्मदर्शी की नोक

भारत के हैदराबाद विश्वविद्यालय और कर्नाटक केंद्रीय विश्वविद्यालय के Melchi Chosenyah, Rajadurai Chandrasekar और उनके सहयोगी उस पैमाने तक उतरे जहाँ क्रिस्टल प्रकाशीय घटकों की तरह काम करते हैं। उन्होंने HDMAC नाम के एक कार्बनिक यौगिक का इस्तेमाल किया, जो पराबैंगनी प्रकाश में नारंगी-लाल चमकता है और जिसका उत्सर्जन 660 नैनोमीटर पर केंद्रित है। काँच की स्लाइड पर इसका घोल डालने पर कुछ दसियों माइक्रोमीटर चौड़े पतले वर्गाकार और आयताकार क्रिस्टल बनते हैं।

उनका औज़ार था एक परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (atomic force microscope) की कैंटिलीवर नोक, जिसका इस्तेमाल क्रिस्टलों को नियंत्रित ढंग से दरकाने और टुकड़ों को फिर से सटाने, दोनों के लिए किया गया। लेखकों ने अपनी शब्दावली हड्डी के फ़्रैक्चर से उधार ली: अनुप्रस्थ दरारें क्रिस्टल के आर-पार जाती हैं, अनुदैर्ध्य दरारें उसकी लंबाई के साथ, तिरछी दरारें विकर्ण दिशा में; एवल्शन (avulsion) में एक छोटा टुकड़ा उखड़ जाता है।

टुकड़े जो जुड़ जाते हैं

लगभग 13.7 गुणा 12.5 माइक्रोमीटर के एक क्रिस्टल में, क्रिस्टल के किनारे को भीतर की ओर धकेलने पर एक तिरछी दरार ग़ायब हो गई। इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी के नीचे मरम्मत लगभग बेजोड़ थी, उच्च आवर्धन पर एक धुँधली रेखा के साथ। केवल वह जगह नहीं भरी जहाँ से एक टुकड़ा उखड़ गया था।
लगभग 20 माइक्रोमीटर लंबे एक क्रिस्टल को दो अलग-अलग टुकड़ों में तोड़ा गया। फिर से संरेखित करके एक-दूसरे से दबाने पर वे तुरंत जुड़ गए। बाद में नोक से धकेलने पर क्रिस्टल एक ही पिंड की तरह खिसका।
दो अलग-अलग क्रिस्टल-तलों के साथ चलने वाली दरारें, दोनों ही भर गईं। जब टूटी सतहें साफ़ रहीं, तो लगभग सभी सूक्ष्म-क्रिस्टल जुड़ गए; टूटन पर बिखरा नन्हा मलबा जुड़ने में बाधा डालता था।
उसी आणविक संकुलन वाला एक बड़ा, परत जैसा क्रिस्टल साफ़ दरकने के बजाय चकनाचूर हो गया, और नहीं जुड़ा।

कितना प्रकाश लौटता है

लंबे क्रिस्टल वेवगाइड की तरह काम करते हैं: एक सिरे पर उत्सर्जित प्रकाश दूसरे सिरे तक जाता है। 271 माइक्रोमीटर लंबे एक क्रिस्टल में टीम ने एक सिरे पर 405 नैनोमीटर का लेज़र डाला और दूसरे सिरे पर निर्देशित चमक एकत्र की — दरकाने से पहले और जुड़ने के बाद। दोनों की तुलना से लगभग 80% की “जुड़ाव दक्षता” मिली। ऐसे छह क्रिस्टलों में यह 32% से 99% के बीच रही। हानि मरम्मत हुई दरार पर बिखरे प्रकाश से हुई, ख़ासकर वहाँ जहाँ टुकड़े ग़ायब थे।

अनुनादक बहाल

पतले क्रिस्टल अनुनादक का भी काम करते हैं: उनके ऊपरी और निचले फलक दर्पण की तरह काम करते हैं, इसलिए उनके बीच प्रकाश के केवल कुछ ख़ास रंग ही जमा होते हैं। क्रिस्टल जितना पतला, इन अनुनादों के बीच अंतर उतना ही ज़्यादा। 31 गुणा 28 माइक्रोमीटर और 1.8 माइक्रोमीटर मोटे एक क्रिस्टल में अनुनाद 17.8 नैनोमीटर के अंतर पर दिखे।

टीम ने उसे बीच से लंबाई में दरकाया, बिना दो हिस्सों में बाँटे। दरार पर अनुनाद बुरी तरह दब गए। जुड़ने के बाद वे लौट आए, उनका स्पेक्ट्रम अक्षत क्रिस्टल से मेल खाता हुआ। हर 257 नैनोमीटर पर परत-दर-परत ली गई प्रतिदीप्ति (fluorescence) तस्वीरों में केवल ऊपरी परतों में दरार का धुँधला निशान दिखा; लगभग 770 नैनोमीटर से नीचे भीतरी भाग भरा हुआ लगा।

सीवन पर नरम

एक ही बल से क्रिस्टल में दबाई गई हीरे की नोक अक्षत हिस्सों में 95 नैनोमीटर और जुड़े हुए हिस्से में 115 नैनोमीटर धँसी। जुड़े हुए क्षेत्र की दृढ़ता, यानी उसका यंग प्रत्यास्थता गुणांक, 2.15 से घटकर 1.49 गीगापास्कल रह गई, मूल का लगभग दो-तिहाई, और उसकी कठोरता मोटे तौर पर आधी रह गई। फिर भी, भार हटाने पर वह आंशिक रूप से वापस उछल आया।

टुकड़ों को आपस में क्या जोड़े रखता है? अणुओं के बीच बलों की गणनाएँ दोनों जुड़ाव-तलों के साथ आकर्षण की सतत शृंखलाओं की ओर इशारा करती हैं: अणुओं के बीच हाइड्रोजन बंध और पड़ोसी परतों के बीच द्विध्रुव आकर्षण, जिन्हें लेखक प्रेरक बलों में से एक मानते हैं।

लेखक ज़ोर देते हैं कि कोई अकेली संख्या जुड़ाव दक्षता को नहीं समेट सकती: क्रिस्टल का आकार, दरार का प्रकार और टुकड़ों को कितनी अच्छी तरह फिर से संरेखित किया गया, ये सब परिणाम बदल देते हैं। उनका लक्ष्य ऐसे प्रकाशीय घटक हैं जो क्षति झेलकर भी बचे रहें — चमकते क्रिस्टल जिन्हें टूटने के बाद फिर से काम पर लगाया जा सके।