Onderzoekers van de afdeling Toegepaste Natuurkunde van de Universiteit van Tsukuba hebben niet-lineaire optische effecten van de tweede orde in diamanten aangetoond door gebruik te maken van interne kleurcentrumdefecten die de inversiesymmetrie van diamantkristal doorbreken. Dit onderzoek kan leiden tot snellere internetcommunicatie, volledig optische computers, en zelfs een weg openen naar de volgende generatie kwantumdetectietechnologieën.

De huidige glasvezeltechnologie maakt gebruik van lichtpulsen om breedbandgegevens over te dragen waarmee u uw e-mail kunt controleren, video's bekijken, en al het andere op internet. Het belangrijkste nadeel is dat lichtpulsen nauwelijks met elkaar interageren, dus de informatie moet worden omgezet in elektrische signalen zodat uw computer deze kan verwerken. Een "volledig optisch" systeem met op licht gebaseerde logische verwerking zou veel sneller en efficiënter zijn. Dit vereist nieuwe, gemakkelijk te fabriceren niet-lineaire optische materialen die de combinatie of splitsing van fotonen kunnen bemiddelen.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba heeft aangetoond dat synthetische diamanten een niet-lineaire respons van de tweede orde kunnen vertonen. Eerder, wetenschappers dachten dat de inversiesymmetrische aard van het diamantkristalrooster alleen zwakkere, oneven-orde niet-lineaire optische effecten, die afhankelijk zijn van de elektrische veldamplitude verhoogd tot de macht drie, vijf, enzovoort. Maar het team toonde aan dat diamanten niet-lineaire optische effecten van de tweede orde kunnen ondersteunen wanneer kleurcentra - de zogenaamde stikstof-vacature (NV) centra - worden geïntroduceerd. In deze gevallen, twee aangrenzende koolstofatomen in het stijve rooster van de diamant worden vervangen door een stikstofatoom en een vacature. Dit verbreekt de inversiesymmetrie en laat niet-lineaire processen van de even-orde plaatsvinden, die meer bruikbare resultaten bevatten die worden geschaald naarmate het elektrische veld in het kwadraat is. "Ons werk stelt ons in staat om krachtige niet-lineaire optische effecten van de tweede orde te produceren, zoals tweede harmonische generatie en elektro-optisch effect, in bulkdiamanten, " zegt senior auteur professor Muneaki Hase.

Het team gebruikte chemisch opgedampte monokristallijne diamanten (van Element Six), met extra stikstofionen geïmplanteerd om de vorming van NV-centra aan te moedigen. Het emissiespectrum dat ze waarnamen toen de diamanten werden geëxciteerd met 1350 nm licht, vertoonde duidelijke harmonische pieken van de tweede en derde orde (Figuur 1). Deze waarnemingen vertegenwoordigen het samensmelten van twee of drie fotonen, respectievelijk, in een enkel foton van hogere energie. "Naast nieuwe fotonische apparaten, tweede-orde niet-lineair optisch effect door NV-centra in diamanten zou kunnen worden gebruikt als basis voor kwantumdetectie van elektromagnetische velden, " zegt eerste auteur Dr. Aizitiaili Abulikemu. Omdat diamanten al in industriële toepassingen worden gebruikt, ze hebben het voordeel dat ze relatief gemakkelijk toepasbaar zijn op optische toepassingen.