Forskare från Institutionen för tillämpad fysik vid University of Tsukuba visade andra ordningens icke-linjära optiska effekter i diamanter genom att dra fördel av interna färgcentrumdefekter som bryter inversionssymmetri hos diamantkristall. Denna forskning kan leda till snabbare internetkommunikation, helt optiska datorer, och till och med öppna en väg till nästa generations kvantavkänningsteknologier.

Nuvarande fiberoptisk teknologi använder ljuspulser för att överföra bredbandsdata som låter dig kontrollera din e-post, titta på videos, och allt annat på Internet. Den största nackdelen är att ljuspulser knappast interagerar med varandra, så informationen måste omvandlas till elektriska signaler för att din dator ska kunna hantera den. Ett "helt optiskt" system med ljusbaserad logikbehandling skulle vara mycket snabbare och mer effektivt. Detta skulle kräva nya, lätt att tillverka olinjära optiska material som kan förmedla kombinationen eller splittringen av fotoner.

Nu, ett team av forskare vid University of Tsukuba har visat att syntetiska diamanter kan uppvisa en andra ordningens olinjära respons. Tidigare, forskare trodde att den inversionssymmetriska karaktären hos diamantkristallgitter bara kunde stödja svagare, olinjära optiska effekter av udda ordning, som beror på det elektriska fältets amplitud höjd till tre potens, fem, och så vidare. Men teamet visade att diamanter kan stödja andra ordningens olinjära optiska effekter när färgcentra – så kallade kvävevakanscenter (NV) – introduceras. I dessa fall, två intilliggande kolatomer i diamantens stela gitter ersätts med en kväveatom och en vakans. Detta bryter inversionssymmetrin och tillåter ickelinjära processer av jämn ordning att inträffa, som inkluderar mer användbara resultat som skalas som det elektriska fältet i kvadrat. "Vårt arbete tillåter oss att producera kraftfulla andra ordningens olinjära optiska effekter, såsom generering av andra övertoner och elektrooptisk effekt, i bulk diamanter, ", säger seniorförfattaren professor Muneaki Hase.

Teamet använde kemiska ångavsatta enkristalldiamanter (från Element Six), med extra kvävejoner implanterade för att uppmuntra bildandet av NV-centra. Emissionsspektrumet de observerade när diamanterna exciterades med 1350 nm ljus visade tydliga övertonstoppar av andra och tredje ordningen (Figur 1). Dessa observationer representerar sammanslagning av två eller tre fotoner, respektive, till en enda foton med högre energi. "Förutom nya fotoniska enheter, andra ordningens olinjära optiska effekt av NV-centra i diamanter kan användas som grund för kvantavkänning av elektromagnetiska fält, " säger första författaren Dr. Aizitiaili Abulikemu. Eftersom diamanter redan används i industriella tillämpningar, de har fördelen att de är relativt lätta applicerbara för optiska användningar.