Een onderzoeksgroep van ITMO University heeft een gecontroleerde lichtbron ontwikkeld op basis van nanodiamant. Experimenten hebben aangetoond dat de diamanten schaal de emissiesnelheid van lichtbronnen verdubbelt en helpt om ze te controleren zonder extra nano- en microstructuren. Dit werd bereikt door kunstmatig gecreëerde defecten in een diamantkristalrooster. Behaalde resultaten zijn belangrijk voor de ontwikkeling van kwantumcomputers en optische netwerken. Het werk is gepubliceerd in de nanoschaal .

Een van de belangrijkste gebieden van moderne nanofotonica is het ontwerp van actieve diëlektrische nanoantennes of gecontroleerde fotonische bronnen. Als basis voor nanoantennes, wetenschappers gebruiken meestal plasmonische metalen nanodeeltjes. Echter, optisch verlies en verhitting van deze deeltjes zet wetenschappers aan om op zoek te gaan naar alternatieven. Bijvoorbeeld, Onderzoekers van de ITMO Universiteit creëerden nanoantennes op basis van perovskieten en silicium. Onlangs, leden van het International Laboratory for Nanophotonics and metamaterials van ITMO University ontwikkelden een nieuw concept van actieve diëlektrische nanoantennes op basis van nanodiamanten.

Nanodiamanten zijn koolstof nanostructuren met unieke eigenschappen. Ze hebben een voldoende hoge brekingsindex, hoge thermische geleidbaarheid en lage interactie-activiteit. De wetenschappers gebruikten nanodiamanten met zogenaamde stikstof-vacaturecentra (NV-centra) die kunstmatig zijn gecreëerd door koolstofatomen uit het diamantkristalrooster te verwijderen. Openstaande vacatures worden vervolgens gekoppeld aan geïmplanteerde stikstofatomen. De elektronenspin van dergelijke NV-centra wordt gemakkelijk gecontroleerd door licht, zodat het gebruik van die elektronenspin, onderzoekers kunnen kwantuminformatie vastleggen.

Wetenschappers van de ITMO University bestudeerden optische eigenschappen van nanodiamanten en ontdekten dat hun straling kan worden verbeterd door het NV-centrum luminescentiespectrum te combineren met optische Mie-resonanties van diamanten nanodeeltjes. Dit kan op een bepaalde positie van het NV-centrum en met de juiste deeltjesgrootte. Dit verhoogde de nanodiamant Purcell-factor. Deze indicator wordt gebruikt om te schatten hoe een diamanten schelp de snelheid van spontane emissie van de lichtbron beïnvloedt. Als de Purcell-factor toeneemt, de vervagingstijd van de luminescentie neemt af terwijl het signaal zelf sterker en veel gemakkelijker te lezen wordt.

De wetenschappers benadrukken dat dit effect wordt bereikt door alleen eigenschappen van nanodiamanten te gebruiken. "Gebruikelijk, om de straling te versnellen, men moet een complex systeem van resonatoren creëren. Maar we zijn erin geslaagd om vergelijkbare resultaten te bereiken zonder extra structuren. We hebben experimenteel aangetoond dat het vervagen van de luminescentie minstens twee keer kan worden versneld, met behulp van eenvoudige natuurkunde, ", zegt Dmitry Zuev van The International Laboratory for Nanophotonics and Metamaterials.

In feite, experimenten werden uitgevoerd op nanodiamanten met meerdere NV-centra, hoewel de onderzoekers ook een theoretisch model ontwikkelden voor het gedrag van enkele fotonbronnen in de diamantschelp. Berekeningen toonden aan dat de snelheid van lichtemissie tientallen keren kan worden verhoogd. "Vandaag, het krijgen van een enkel foton van één NV-centrum in een nanoantenne is een nogal moeilijke taak. Om zo'n actieve nanoantenne in logische elementen te implementeren, bijvoorbeeld, u moet hun uitstoot beheren. In perspectief, ons concept zal helpen om afzonderlijke fotonenemissiebronnen effectief te beheren. Het is erg belangrijk voor de ontwikkeling van kwantumcomputers en optische communicatienetwerken, " merkt Anastasia Zalogina op, hoofdauteur van het artikel, een lid van het Internationaal Laboratorium voor Nanofotonica en metamaterialen.