Diamantfarvecentre til ikke-lineær fotonik

Forskere fra Institut for Anvendt Fysik ved University of Tsukuba demonstrerede andenordens ikke-lineære optiske effekter i diamanter ved at drage fordel af interne farvecenterdefekter, der bryder inversionssymmetri af diamantkrystal. Denne forskning kan føre til hurtigere internetkommunikation, helt optiske computere, og endda åbne en vej til næste generation af kvantesensorteknologier.

Nuværende fiberoptisk teknologi bruger lysimpulser til at overføre bredbåndsdata, så du kan tjekke din e-mail, se videoer, og alt andet på internettet. Den største ulempe er, at lysimpulser næsten ikke interagerer med hinanden, så oplysningerne skal konverteres til elektriske signaler, så din computer kan håndtere dem. Et "helt optisk" system med lysbaseret logikbehandling ville være meget hurtigere og mere effektivt. Dette kræver nye, let at fremstille ikke-lineære optiske materialer, der kan mediere kombinationen eller spaltningen af ​​fotoner.

Nu, et hold forskere ved University of Tsukuba har vist, at syntetiske diamanter kan udvise en anden-ordens ikke-lineær respons. Tidligere, videnskabsmænd troede, at den inversionssymmetriske natur af diamantkrystalgitter kun kunne understøtte svagere, ulige ordens ulineære optiske effekter, som afhænger af det elektriske felts amplitude hævet til tre potens, fem, og så videre. Men holdet viste, at diamanter kan understøtte andenordens ikke-lineære optiske effekter, når farvecentre - såkaldte nitrogen-vacancy-centre (NV) - introduceres. I disse tilfælde, to tilstødende kulstofatomer i diamantens stive gitter erstattes med et nitrogenatom og en ledig plads. Dette bryder inversionssymmetrien og tillader ulineære processer af lige orden at forekomme, som inkluderer mere nyttige resultater, der skaleres som det elektriske felt i anden. "Vores arbejde giver os mulighed for at producere kraftfulde andenordens ikke-lineære optiske effekter, såsom anden harmonisk generation og elektro-optisk effekt, i bulk diamanter, " siger seniorforfatter professor Muneaki Hase.

Holdet brugte kemiske dampaflejrede enkrystal diamanter (fra Element Six), med ekstra nitrogenioner implanteret for at fremme dannelsen af ​​NV-centre. Emissionsspektret, de observerede, da diamanterne blev exciteret med 1350 nm lys, viste klare anden- og tredjeordens harmoniske toppe (figur 1). Disse observationer repræsenterer sammensmeltningen af ​​to eller tre fotoner, henholdsvis, til en enkelt foton med højere energi. "Ud over nye fotoniske enheder, andenordens ikke-lineær optisk effekt af NV-centre i diamanter kan bruges som grundlag for kvantesansning af elektromagnetiske felter, " siger førsteforfatter Dr. Aizitiaili Abulikemu. Fordi diamanter allerede bruges i industrielle applikationer, de har den fordel, at de er relativt lette at anvende til optiske anvendelser.