Исследователи создают контролируемый источник света, используя Nanodiamond

Исследовательская группа из Университета ИТМО впервые создала контролируемый источник света на основе наноалмаза. Эксперименты показали, что алмазная оболочка ускоряет источники света скорости излучения и помогает регулировать их без каких-либо дополнительных нано- и микроструктур. Это было сделано из-за искусственно индуцированных дефектов в кристаллической решетке алмаза.

Достигнутые результаты значительны для прогресса квантовых компьютеров и оптических сетей. Исследование было опубликовано в Nanoscale.

Схема полученной активной наноалмазной антенны. (Image credit: ITMO University)

Одной из основных областей современной нанофотоники является разработка активных диэлектрических наноантеннов или контролируемых фотонных источников. Исследователи обычно используют наночастицы плазмонных металлов в качестве основы для наноантеннов. Однако оптические потери и нагрев этих частиц побуждают исследователей искать альтернативы. Например, исследователи университета ITMO остро развивают диэлектрическую нанофотонику: они делают наноантенны на основе кремния и перовскитов. В последнее время члены Международной лаборатории нанофотоники и метаматериалов университета ITMO создали новую теорию активных диэлектрических наноантеннов на основе наноалмазов.

Наноалмазы могут быть определены как углеродные наноструктуры с новыми свойствами. Они обладают высокой теплопроводностью, достаточно высоким показателем преломления и низкой активностью взаимодействия. Исследователи использовали наноалмазы с так называемыми азотно-вакансионными центрами (NV-центрами). Они формируются искусственно путем извлечения атомов углерода из кристаллической решетки алмаза. Открытая вакансия затем соединяется с имплантированным атомом азота. Электронный спин такого NV-центра легко манипулируется светом, так что применение этого электронного спина позволяет записывать квантовую информацию.

Исследователи из университета ITMO изучили оптические свойства наноалмазов и обнаружили, что их излучение можно улучшить, интегрируя спектр люминесценции NV-центра с оптическими резонансами Mie алмазных наночастиц. Это может быть реализовано в определенном положении NV-центра и правильном размере частиц. Таким образом, можно увеличить наноалмазный фактор Перселла. Этот показатель используется для оценки того, как алмазная оболочка влияет на скорость спонтанного излучения источника света. Если фактор Перселла увеличивается, время затухания люминесценции уменьшается, а сам сигнал становится устойчивым и намного легче читать.

Исследователи подчеркивают, что этот эффект реализуется с использованием исключительно свойств наноалмазов.

Обычно, чтобы ускорить излучение, нужно создать сложную систему резонаторов. Но нам удалось добиться подобных результатов без каких-либо дополнительных структур. Экспериментально показано, что затухание люминесценции можно ускорить как минимум два раза, используя только простую физику.

Дмитрий Зуев, Международная лаборатория нанофотоники и метаматериалов

На самом деле эксперименты проводились на наноалмазах с многочисленными NV-центрами. Ученые также создали теоретическую модель поведения одиночных источников фотонов в алмазной оболочке. Расчеты показали, что скорость светового излучения может быть увеличена на несколько десятков раз.

«Сегодня получение одного фотона из одного NV-центра в наноантенне – довольно сложная задача. Чтобы реализовать такую ​​активную наноантенну в логических элементах, например, вам нужно управлять их излучением. В перспективе, наша концепция поможет эффективно управлять источниками одиночных фотонных излучений, что очень важно для развития квантовых компьютеров и сетей оптической связи », – отмечает Анастасия Залогана, ведущий автор статьи, член Международной лаборатории нанофотоники и метаматериалов .

Source link