Nanodiamond bliver til kontrollerbar lyskilde

En forskergruppe fra ITMO University har udviklet en styret lyskilde baseret på nanodiamant. Eksperimenter har vist, at diamantskallen fordobler lyskildernes emissionshastighed og hjælper med at kontrollere dem uden yderligere nano- og mikrostrukturer. Dette blev opnået på grund af kunstigt skabte defekter i et diamantkrystalgitter. Opnåede resultater er vigtige for udviklingen af ​​kvantecomputere og optiske netværk. Værket er udgivet i Nanoskala .

Et af nøgleområderne i moderne nanofotonik er design af aktive dielektriske nanoantenner eller kontrollerede fotoniske kilder. Som base for nanoantenner, videnskabsmænd bruger normalt plasmoniske metalnanopartikler. Imidlertid, optisk tab og opvarmning af disse partikler tilskynder forskere til at lede efter alternativer. For eksempel, ITMO University forskere skabte nanoantenner baseret på perovskites og silicium. For nylig, medlemmer af International Laboratory for Nanophotonics and metamaterials of ITMO University udviklet et nyt koncept af aktive dielektriske nanoantenner baseret på nanodiamanter.

Nanodiamanter er kulstof nanostrukturer med unikke egenskaber. De har et tilstrækkeligt højt brydningsindeks, høj varmeledningsevne og lav interaktionsaktivitet. Forskerne brugte nanodiamanter med såkaldte nitrogen-vacancecentre (NV-centre) skabt kunstigt ved at fjerne kulstofatomer fra diamantkrystalgitteret. Åbnede ledige stillinger knyttes derefter til implanterede nitrogenatomer. Elektronspind af sådanne NV-centre styres let af lys, så ved at bruge det elektronspin, forskere kan registrere kvanteinformation.

Forskere fra ITMO University undersøgte optiske egenskaber af nano-diamanter og fandt ud af, at deres stråling kan forbedres ved at kombinere NV-center luminescensspektret med optiske Mie resonanser af diamant nanopartikler. Dette kan opnås på en bestemt position i NV-centeret og med den passende partikelstørrelse. Dette øgede nanodiamantens Purcell-faktor. Denne indikator bruges til at estimere, hvordan en diamantskal påvirker hastigheden af ​​spontan emission af lyskilden. Hvis Purcell-faktoren stiger, luminescensfadingtiden reduceres, mens selve signalet bliver stærkere og meget lettere at læse.

Forskerne understreger, at denne effekt opnås ved kun at bruge egenskaber ved nanodiamanter. "Som regel, at fremskynde strålingen, man skal skabe et komplekst system af resonatorer. Men det lykkedes os at opnå lignende resultater uden yderligere strukturer. Vi viste eksperimentelt, at luminescensfading kan fremskyndes mindst to gange, ved hjælp af simpel fysik, " siger Dmitry Zuev fra The International Laboratory for Nanophotonics and Metamaterials.

Faktisk, eksperimenter blev udført på nanodiamanter med flere NV-centre, selvom forskerne også udviklede en teoretisk model for opførsel af enkeltfotonkilder i diamantskallen. Beregninger viste, at lysemissionshastigheden kan øges med flere dusin gange. "I dag, at få en enkelt foton fra et NV-center i en nanoantenne er en ret vanskelig opgave. For at implementere en sådan aktiv nanoantenne i logiske elementer, for eksempel, du skal styre deres emission. I perspektiv, vores koncept vil hjælpe til effektivt at styre enkelt fotonemissionskilder. Det er meget vigtigt for udviklingen af ​​kvantecomputere og optiske kommunikationsnetværk, " bemærker Anastasia Zalogina, hovedforfatter af artiklen, medlem af International Laboratory for Nanophotonics and metamaterials.