Wetenschappers van de Faculteit der Zuivere en Toegepaste Wetenschappen van de Universiteit van Tsukuba hebben een methode ontwikkeld om de temperatuur te bewaken met behulp van de natuurlijk voorkomende atoomachtige defecten in diamanten. Ze ontdekten dat verhoogde warmte leidde tot verminderde intensiteit van de niet-lineaire harmonische opwekking van licht. Dit werk kan leiden tot zeer nauwkeurige thermometers van nanoformaat.

Nanotechnologie speelt een steeds belangrijkere rol in nieuwe apparaten en het vermogen om temperaturen op kleine schaal te meten wordt steeds belangrijker. Conventionele thermometers zijn vaak te groot of niet praktisch voor veel toepassingen met lengteschalen kleiner dan enkele honderden nanometers. Er zijn dus nieuwe benaderingen nodig voor kleine, contactloze temperatuursensoren.

Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba en het Japan Advanced Institute of Science and Technology gebruik gemaakt van de niet-lineaire optische eigenschappen van een bepaald soort defect in diamanten die zijn gemaakt van koolstofatomen die zijn gerangschikt in een diamant kubisch rooster. Stikstof-leegstand (NV) defecten zijn natuurlijk voorkomende gebreken in diamanten waarin twee aangrenzende koolstofatomen zijn vervangen door een stikstofatoom en een gat. Ze hebben veel aandacht getrokken omdat ze gemakkelijk te verkrijgen zijn en ongebruikelijke kwantum- en niet-lineaire optische eigenschappen hebben. Een daarvan is het vermogen om twee of zelfs drie fotonen samen te voegen tot een enkel hoogenergetisch foton in een proces dat harmonische generatie wordt genoemd.

Met behulp van infrarode laserstimulatie met ultrakorte puls ontdekte het team dat de harmonische generatie afnam met de temperatuur in het bereik van 20-300 ° C. "Deze studie presenteert een efficiënte en haalbare manier om op diamanten gebaseerde niet-lineaire optische temperatuurmeting te creëren", zegt eerste auteur Dr. Aizitiaili Abulikemu. Deze temperatuurafhankelijke verandering werd verklaard door een mismatch vanwege de snelheid van verschillende kleuren licht in de diamant. Dat wil zeggen, naarmate het atoomrooster warmer wordt, wordt het verschil in de brekingsindex tussen het oorspronkelijke licht en het hogere energielicht dat door harmonische generatie wordt gecreëerd groter, wat de efficiëntie van harmonische generatie vermindert.

"Diamanten kunnen worden verwerkt tot een kleine tip voor een sonde als onderdeel van een temperatuursensor op nanometerschaal", zegt senior auteur professor Muneaki Hase. Toekomstige toepassingen kunnen zelfs een thermometer bevatten die klein genoeg is om in een levende cel te vinden, die op afstand met een laser kan worden gedetecteerd.

Het werk is gepubliceerd in Optics Letters als "Temperatuurafhankelijke tweede-harmonische generatie van kleurcentra in diamant." + Verder verkennen

Diamantkleurcentra voor niet-lineaire fotonica