விரிசல் விழுந்தபின் குணமாகி, மீண்டும் ஒளியைச் சிறைப்பிடிக்கும் நுண்படிகங்கள்

ஒளியியல் (photonic) சாதனங்கள் சுருங்கி வருகின்றன: ஒளியைக் கடத்தும் வழிகாட்டிகள், அதைச் சிறைப்பிடிக்கும் ஒத்ததிர்விகள், லேசர்கள். அந்த அளவில், ஒரு நுண்ணிய விரிசலே அவற்றைக் கெடுக்கப் போதுமானது. கரிம ஒளியியல் படிகங்களில் விரிசல்கள் எவ்வாறு உருவாகிக் குணமாகின்றன என்பது “பெரும்பாலும் ஆராயப்படாமலே” உள்ளது என்று ஆசிரியர்கள் எழுதுகின்றனர்.

தங்கள் விரிசல்களைத் தாமே சரிசெய்துகொள்ளும் படிகங்கள், அவர்களின் சொற்களில், “அரிதான, வியக்கத்தக்க ஒரு நிகழ்வு”. ஆய்வுக் கட்டுரை மேற்கோள் காட்டும் முந்தைய எடுத்துக்காட்டுகளில் கல் உப்பு, பொட்டாசியம் குளோரைடு, அலுமினா, பல மூலக்கூறுப் படிகங்கள் அடங்கும். ஆனால் அவற்றில் பெரும்பாலானவை மில்லிமீட்டர் முதல் சென்டிமீட்டர் வரை நீளமானவை, இடுக்கிகளாலும் ஊசிகளாலும் கையாளப்பட்டவை. சில மெதுவாகக் குணமாகின: சுமார் 3 மில்லிமீட்டர் நீளமுள்ள படிகங்கள், 24 மணிநேரம் அழுத்தப்பட்ட பிறகு 6.7% மட்டுமே மீண்டன. ஊசி வடிவம் கொண்ட வேறு சில, மில்லிவினாடிகளில் மீண்டும் இணைந்தன.

சுத்தியலாக ஒரு நுண்ணோக்கி நுனி

இந்தியாவின் University of Hyderabad, Central University of Karnataka ஆகியவற்றைச் சேர்ந்த Melchi Chosenyah, Rajadurai Chandrasekar மற்றும் சக ஆய்வாளர்கள், படிகங்கள் ஒளியியல் கூறுகளாகச் செயல்படும் அளவுக்கு இறங்கிச் சென்றனர். புற ஊதா ஒளியின் கீழ் ஆரஞ்சு-சிவப்பு நிறத்தில் ஒளிரும், 660 நானோமீட்டரை மையமாகக் கொண்ட உமிழ்வுடைய, HDMAC எனப்படும் ஒரு கரிமச் சேர்மத்தை அவர்கள் பயன்படுத்தினர். கரைசலாக ஒரு கண்ணாடித் தகட்டின் மீது சொட்டப்படும்போது, அது சில பத்து மைக்ரோமீட்டர் குறுக்களவுள்ள மெல்லிய சதுர, செவ்வகப் படிகங்களை உருவாக்குகிறது.

அவர்களின் கருவி, ஓர் அணு விசை நுண்ணோக்கியின் (atomic force microscope) நெம்புகோல் (cantilever) நுனி; படிகங்களைக் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட முறைகளில் உடைக்கவும், துண்டுகளை மீண்டும் ஒன்றாகத் தள்ளவும் அது பயன்படுத்தப்பட்டது. ஆசிரியர்கள் தங்கள் சொற்களை எலும்பு முறிவுகளிடமிருந்து கடன் வாங்கினர்: குறுக்கு (transverse) விரிசல்கள் படிகத்தின் குறுக்காகச் செல்கின்றன, நீள்வாட்டு (longitudinal) விரிசல்கள் அதன் நீளவாக்கில், சாய்வு (oblique) விரிசல்கள் மூலைவிட்டமாக; ஒரு பிய்ப்பு முறிவு (avulsion) ஒரு சிறிய துண்டைப் பிய்த்தெடுக்கிறது.

இணையும் துண்டுகள்

• சுமார் 13.7-க்கு 12.5 மைக்ரோமீட்டர் அளவுள்ள ஒரு படிகத்தில், படிகத்தின் பக்கவாட்டை உள்நோக்கித் தள்ளியபோது ஒரு மூலைவிட்ட விரிசல் மறைந்தது. ஓர் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கியின் கீழ், சீரமைப்பு ஏறக்குறையத் தடம் தெரியாததாக இருந்தது; அதிக உருப்பெருக்கத்தில் ஒரு மங்கலான கோடு மட்டுமே தெரிந்தது. ஒரு துண்டு பிய்த்தெடுக்கப்பட்ட இடம் மட்டுமே குணமாகாமல் இருந்தது.
• சுமார் 20 மைக்ரோமீட்டர் நீளமுள்ள ஒரு படிகம், தனித்தனியான இரண்டு துண்டுகளாகப் பிளக்கப்பட்டது. மீண்டும் வரிசைப்படுத்தி ஒன்றாக அழுத்தியதும், அவை உடனடியாகக் குணமாகின. பின்னர் நுனியால் தள்ளியபோது, படிகம் ஒரே உடலாக நகர்ந்தது.
• இரண்டு வெவ்வேறு படிகத் தளங்களின் நெடுகே ஏற்பட்ட விரிசல்கள் இரண்டும் குணமாகின. உடைந்த மேற்பரப்புகள் சுத்தமாக இருந்தபோது, ஏறக்குறைய எல்லா நுண்படிகங்களும் குணமாகின; உடைவில் சிதறிக் கிடந்த நுண்ணிய சிதைவுத் துகள்கள் குணமாவதைத் தடுத்தன.
• அதே மூலக்கூறு அடுக்கமைவைக் (molecular packing) கொண்ட, செதில் போன்ற ஒரு பெரிய படிகம், சுத்தமாக விரிசல் விடுவதற்குப் பதிலாகச் சிதறுண்டது; அது குணமாகவும் இல்லை.

எவ்வளவு ஒளி திரும்பி வருகிறது

நீண்ட படிகங்கள் அலைவழிகாட்டிகளாகச் (waveguides) செயல்படுகின்றன: ஒரு முனையில் உமிழப்படும் ஒளி மறுமுனைக்குப் பயணிக்கிறது. 271 மைக்ரோமீட்டர் நீளமுள்ள ஒரு படிகத்தில், விரிசல் ஏற்படுத்துவதற்கு முன்பும் குணமான பிறகும், குழுவினர் ஒரு முனையில் 405 நானோமீட்டர் லேசரைப் பாய்ச்சி, மறுமுனையில் வழிநடத்தப்பட்ட ஒளிர்வைச் சேகரித்தனர். இரண்டையும் ஒப்பிட்டதில், சுமார் 80% “குணமாதல் திறன்” கிடைத்தது. இத்தகைய ஆறு படிகங்களில், அது 32% முதல் 99% வரை இருந்தது. இழப்புகள், சரிசெய்யப்பட்ட விரிசலில் சிதறிய ஒளியிலிருந்து வந்தன, குறிப்பாகத் துண்டுகள் காணாமல் போயிருந்த இடங்களில்.

மீட்டெடுக்கப்பட்ட ஒத்ததிர்வி

மெல்லிய படிகங்கள் ஒத்ததிர்விகளாகவும் (resonators) செயல்படுகின்றன: அவற்றின் மேல், கீழ் முகப்புகள் கண்ணாடிகளாகச் செயல்படுகின்றன; எனவே ஒளியின் குறிப்பிட்ட சில நிறங்கள் மட்டுமே அவற்றுக்கு இடையே பெருகுகின்றன. படிகம் எவ்வளவு மெல்லியதோ, இந்த ஒத்ததிர்வுகளுக்கு இடையிலான இடைவெளி அவ்வளவு அகலமானது. 31-க்கு 28 மைக்ரோமீட்டர் அளவும் 1.8 மைக்ரோமீட்டர் தடிமனும் கொண்ட ஒரு படிகம், 17.8 நானோமீட்டர் இடைவெளியில் அமைந்த ஒத்ததிர்வுகளைக் காட்டியது.

குழுவினர் அதைப் பிளக்காமல், நடுவில் நீளவாக்கில் விரிசல் ஏற்படுத்தினர். விரிசலின் இடத்தில், ஒத்ததிர்வுகள் வலுவாக அடக்கப்பட்டன. குணமான பிறகு அவை திரும்பி வந்தன; சேதமடையாத படிகத்தின் நிறமாலையுடன் ஒத்துப்போகும் ஒரு நிறமாலையுடன். ஒவ்வொரு 257 நானோமீட்டருக்கும் அடுக்கு அடுக்காக எடுக்கப்பட்ட ஒளிர்வு (fluorescence) படங்கள், மேல் அடுக்குகளில் மட்டுமே விரிசலின் மங்கலான தடயத்தைக் காட்டின; சுமார் 770 நானோமீட்டருக்குக் கீழே, உட்பகுதி குணமானதாகத் தோன்றியது.

இணைப்புக்கோட்டில் மென்மையானது

ஒரே விசையுடன் படிகத்துக்குள் அழுத்தப்பட்ட ஒரு வைர நுனி, சேதமடையாத பகுதிகளில் 95 நானோமீட்டரும், குணமான பகுதியில் 115 நானோமீட்டரும் உள்ளே இறங்கியது. குணமான மண்டலத்தின் விறைப்பு — அதன் யங் குணகம் (Young’s modulus) — 2.15-இலிருந்து 1.49 ஜிகாபாஸ்கலாகக் குறைந்தது, அசலின் ஏறக்குறைய மூன்றில் இரண்டு பங்கு; அதன் கடினத்தன்மை ஏறக்குறையப் பாதியானது. சுமை அகற்றப்பட்டபோது, அது இன்னும் ஓரளவு மீண்டெழுந்தது.

துண்டுகளை ஒன்றாகப் பிடித்து வைத்திருப்பது எது? மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான விசைகளின் கணக்கீடுகள், குணமாகும் இரண்டு தளங்களின் நெடுகே தொடர்ச்சியான ஈர்ப்புச் சங்கிலிகளைச் சுட்டிக்காட்டுகின்றன: மூலக்கூறுகளுக்கு இடையிலான ஹைட்ரஜன் பிணைப்புகள், அண்டை அடுக்குகளுக்கு இடையிலான இருமுனை (dipole) ஈர்ப்புகள்; இவற்றை ஆசிரியர்கள் உந்து விசைகளில் ஒன்றாகக் காண்கின்றனர்.

குணமாதல் திறனை எந்த ஒற்றை எண்ணும் முழுமையாகப் படம்பிடிக்காது என்று ஆசிரியர்கள் வலியுறுத்துகின்றனர்: படிகத்தின் அளவு, விரிசலின் வகை, துண்டுகள் எவ்வளவு நன்றாக மீண்டும் வரிசைப்படுத்தப்படுகின்றன என்பவை அனைத்தும் முடிவை மாற்றுகின்றன. அவர்களின் நோக்கம், சேதத்தைத் தாங்கி நிற்கும் ஒளியியல் கூறுகள் — ஒருமுறை உடைந்தாலும், மீண்டும் வேலைக்குத் திருப்பக்கூடிய ஒளிரும் படிகங்கள்.