Международная команда физиков впервые в мире разработала управляемый источник света на основе наноалмаза. Эксперименты показали, что алмазная оболочка вдвое усиливает темп излучения и позволяет управлять источниками света без дополнительных нано- и микроструктур. Физики смогли добиться этого с помощью искусственно созданных дефектов в алмазной кристаллической решетке. Полученные результаты важны для разработки квантовых компьютеров и оптических сетей. Работа опубликована в журнале Nanoscale.
Одно из ключевых направлений современной нанофотоники — создание активных диэлектрических наноантенн, то есть управляемых источников фотонов. Такие устройства необходимы для разработки квантовых компьютеров, оптических сетей связи и систем визуализации. Для создания наноантенн сейчас активно используются плазмонные металлические наночастицы. Однако оптические потери и нагрев этих частиц побуждают исследователей искать альтернативные варианты. Ученые из Университета ИТМО и Австралийского национального университета впервые в мире разработали концепцию активных диэлектрических наноантенн на основе наноалмазов.
Наноалмазы — это углеродные наноструктуры с уникальными свойствами. У них достаточно высокие показатели преломления, высокая теплопроводность, кроме того, они почти не взаимодействуют с другими веществами. В своей работе ученые использовали наноалмазы с так называемыми центрами азот-вакансия или NV-центрами. Их создают искусственно: при удалении атома углерода из кристаллической решетки алмаза, образовавшаяся вакансия связывается с внедренным атомом азота. Электронным спином такого дефекта легко управлять с помощью света, при помощи него можно записывать квантовую информацию.
Исследователи изучили оптические свойства наноалмазов и обнаружили, что их излучение можно усилить, если спектр люминесценции NV-центра совместить с Ми резонансами алмазной наночастицы. Этого можно добиться при определенном положении NV-центра и соответствующем размере частицы. В таком случае можно увеличить фактор Парселла наноалмаза. Этот показатель позволяет оценить, как алмазная оболочка влияет на скорость спонтанного излучения источника. Если фактор Парселла растет, время затухания люминесценции сокращается, а интенсивность сигнала увеличивается. В этом случае считывать информацию становится гораздо проще.
По словам ученых, особенность этой работы в том, что такого эффекта удалось добиться, используя только свойства самих наноалмазов.
«Как правило, чтобы ускорить излучение, нужно создать сложную систему резонаторов, — комментирует соавтор Дмитрий Зуев. — Но нам удалось добиться схожих результатов без каких-либо дополнительных структур. Мы экспериментально показали, что время затухания люминесценции можно сократить минимум вдвое, используя простую физику».
Эксперименты проводились на объектах с несколькими NV-центрами, но исследователи также разработали теоретическую модель поведения источников одиночных фотонов в алмазной оболочке. Расчеты показали, что скорость их излучения может увеличиться в несколько десятков раз.
«Сейчас получение одиночного фотона с одного NV-центра в такой наноантенне — довольно сложная задача. А чтобы внедрять активные наноантенны, например, в логические элементы, нужно научиться им управлять. В перспективе разработанная нами концепция позволит эффективно управлять излучением источников одиночных фотонов. Это очень важно для создания квантовых компьютеров и оптических коммуникационных сетей», — отмечает ведущий автор статьи Анастасия Залогина.