Nye kvanteregistreringsmuligheder med ikke-lineær optik af diamanter

Forskere fra Fakultetet for Rene og Anvendte Videnskaber ved University of Tsukuba har udviklet en metode til at overvåge temperaturen ved hjælp af de naturligt forekommende atomlignende defekter i diamanter. De fandt ud af, at øget varme førte til reduceret intensitet af den ikke-lineære harmoniske generering af lys. Dette arbejde kan føre til meget nøjagtige termometre i nanostørrelse.

Nanoteknologi spiller en stadig vigtigere rolle i nye enheder, og evnen til at måle temperaturer i små skalaer bliver stadig vigtigere. Konventionelle termometre er ofte for store eller ikke praktiske til mange applikationer, der involverer længdeskalaer mindre end et par hundrede nanometer. Derfor er der behov for nye tilgange til små, berøringsfrie temperatursensorer.

Nu har et team af forskere fra University of Tsukuba og Japan Advanced Institute of Science and Technology draget fordel af de ikke-lineære optiske egenskaber ved en bestemt slags defekt i diamanter, som er lavet af kulstofatomer arrangeret i et kubisk diamantgitter. Nitrogen-vacancy (NV) defekter er naturligt forekommende fejl i diamanter, hvor to tilstødende kulstofatomer er blevet erstattet af et nitrogenatom og et hul. De har tiltrukket sig stor opmærksomhed, fordi de er nemme at få fat i og har usædvanlige kvante- og ikke-lineære optiske egenskaber. Blandt dem er evnen til at kombinere to eller endda tre fotoner sammen til en enkelt højenergifoton i en proces kaldet harmonisk generering.

Ved hjælp af infrarød ultrakort puls-laserstimulering fandt holdet, at den harmoniske generering faldt med temperaturen i området 20-300 °C. "Denne undersøgelse præsenterer en effektiv og levedygtig måde at skabe diamantbaseret ikke-lineær optisk temperaturføling," siger førsteforfatter Dr. Aizitiaili Abulikemu. Denne temperaturafhængige ændring blev forklaret ved mismatch på grund af hastigheden af ​​forskellige lysfarver i diamanten. Det vil sige, at efterhånden som atomgitteret varmes op, vokser forskellen i brydningsindekset mellem det oprindelige lys og det lys med højere energi, der er skabt af harmonisk generering, større, hvilket mindsker effektiviteten af ​​harmonisk generering.

"Diamanter kan bearbejdes til en lille spids til en sonde som en del af en temperatursensor i nanometerskala," siger seniorforfatter professor Muneaki Hase. Fremtidige applikationer kan endda omfatte et termometer, der er lille nok til at finde inde i en levende celle, som kan detekteres eksternt med en laser.

Værket er udgivet i Optics Letters som "Temperaturafhængig anden harmonisk generation fra farvecentre i diamant." + Udforsk yderligere

Diamantfarvecentre til ikke-lineær fotonik