En forskargrupp från ITMO University har utvecklat en kontrollerad ljuskälla baserad på nanodiamant. Experiment har visat att diamantskalet fördubblar ljuskällornas emissionshastighet och hjälper till att kontrollera dem utan några ytterligare nano- och mikrostrukturer. Detta uppnåddes på grund av artificiellt skapade defekter i ett diamantkristallgitter. Erhållna resultat är viktiga för utvecklingen av kvantdatorer och optiska nätverk. Verket publiceras i Nanoskala .

Ett av nyckelområdena inom modern nanofotonik är utformningen av aktiva dielektriska nanoantenner eller kontrollerade fotoniska källor. Som bas för nanoantenner, forskare använder vanligtvis nanopartiklar av plasmonisk metall. Dock, optisk förlust och uppvärmning av dessa partiklar uppmuntrar forskare att leta efter alternativ. Till exempel, ITMO Universitys forskare skapade nanoantenner baserade på perovskiter och kisel. Nyligen, medlemmar av International Laboratory for Nanophotonics and metamaterials vid ITMO University utvecklade ett nytt koncept med aktiva dielektriska nanoantenner baserade på nanodiamanter.

Nanodiamanter är kolnanostrukturer med unika egenskaper. De har ett tillräckligt högt brytningsindex, hög värmeledningsförmåga och låg interaktionsaktivitet. Forskarna använde nanodiamanter med så kallade kvävevakanscentra (NV-centra) skapade på konstgjord väg genom att avlägsna kolatomer från diamantkristallgittret. Öppnade vakanser kopplas sedan till implanterade kväveatomer. Elektronspinnet hos sådana NV-centra kontrolleras lätt av ljus, så att man använder det elektronsnurret, forskare kan registrera kvantinformation.

Forskare från ITMO University studerade optiska egenskaper hos nano-diamanter och fann att deras strålning kan förbättras genom att kombinera NV-centrets luminescensspektrum med optiska Mie-resonanser hos diamantnanopartiklar. Detta kan uppnås vid en viss position av NV-centret och med lämplig partikelstorlek. Detta ökade nanodiamond Purcell-faktorn. Denna indikator används för att uppskatta hur ett diamantskal påverkar hastigheten för spontan emission av ljuskällan. Om Purcell-faktorn ökar, luminescensfadingstiden minskar samtidigt som signalen i sig blir starkare och mycket lättare att läsa.

Forskarna betonar att denna effekt uppnås genom att endast använda egenskaperna hos nanodiamanter. "Vanligtvis, för att påskynda strålningen, man måste skapa ett komplext system av resonatorer. Men vi lyckades uppnå liknande resultat utan några ytterligare strukturer. Vi visade experimentellt att luminescensfadingen kan påskyndas minst två gånger, använder bara enkel fysik, säger Dmitry Zuev från The International Laboratory for Nanophotonics and Metamaterials.

Faktiskt, experiment utfördes på nanodiamanter med flera NV-centra, även om forskarna också utvecklade en teoretisk modell för beteendet hos enstaka fotonkällor i diamantskalet. Beräkningar visade att ljusemissionshastigheten kan ökas med flera dussin gånger. "I dag, att få en enda foton från ett NV-center i en nanoantenn är en ganska svår uppgift. För att implementera en sådan aktiv nanoantenn i logiska element, till exempel, du måste hantera deras utsläpp. I perspektiv, vårt koncept kommer att hjälpa till att effektivt hantera källor för emission av enstaka foton. Det är mycket viktigt för utvecklingen av kvantdatorer och optiska kommunikationsnätverk, " konstaterar Anastasia Zalogina, huvudförfattare till artikeln, medlem i International Laboratory for Nanophotonics and metamaterials.