Физики из Университета ИТМО впервые в мире разработали управляемый источник света на основе наноалмаза. Эксперименты показали, что алмазная оболочка вдвое усиливает интенсивность его излучения и позволяет управлять им без дополнительных нано- и микроструктур. Этого удалось добиться с помощью искусственно созданных дефектов в алмазной кристаллической решетке. Полученные результаты важны для разработки квантовых компьютеров и оптических сетей будущего. Соответствующая статья опубликована в Nanoscale.
Как известно, антенны могут не только принимать фотоны, но и излучать их. Причем в качестве управляемых источников фотонов такие активные диэлектрические антенны почти незаменимы для разработки квантовых компьютеров, оптических сетей связи и систем визуализации. Хорошим кандидатом в такие антенны являются плазмонные металлические наночастицы. Они достаточно компактны, но все же и с ними есть проблемы — оптические потери и нагрев этих частиц. Поэтому в Университете ИТМО активно развивается направление диэлектрической нанофотоники — создаются наноантенны на основе перовскитов и кремния. Теперь там же впервые в мире разработали концепцию активных диэлектрических наноантенн на основе наноалмазов.
Наноалмазы — это углеродные наноструктуры с уникальными свойствами. Они обладают достаточно высоким показателем преломления, высокой теплопроводностью и при нормальных условиях почти не взаимодействуют химически с другими веществами. В новой работе ученые использовали наноалмазы с так называемыми центрами азот-вакансии или NV-центрами. Их создают искусственно: при удалении атома углерода из кристаллической решетки образовавшаяся «вакансия» связывается с внедренным атомом азота. Электронным спином такого дефекта (условно — «направлением вращения» частицы вокруг своей оси) легко управлять с помощью света. Поменяв состояние («переключив» спин) с одного на другое (с «ноля» на условную «единицу»), можно записывать или считывать квантовую информацию.
Исследователи обнаружили, что излучение таких наноалмазных антенн можно усилить при определенном положении NV-центра и соответствующем размере наночастицы. За счет этого время затухания люминесценции (испускания фотонов) частицы сокращается, а интенсивность оптического сигнала увеличивается, отчего считывать информацию становится гораздо проще. В ходе экспериментов время затухания люминесценции таких частиц удалось сократить вдвое, примерно во столько же подняв интенсивность оптического сигнала.
Все это позволило значительно улучшить параметры наноалмазных антенн без внедрения каких-либо дополнительных резонаторов — просто манипулируя положением вакансии и размером частиц. Это очень хороший результат, поскольку, как правило, чтобы добиться такого, нужно создать сложную систему резонаторов.
Вероятно, это не предел того, чего можно добиться. Время затухания люминесценции и скорость начала излучения удалось изменить в два раза на объектах с несколькими NV-центрами (азотными вакансиями). Но исследователи также разработали теоретическую модель поведения источников одиночных фотонов в алмазной оболочке. И расчеты показали, что скорость излучения для них увеличится в несколько десятков раз.
В настоящий момент получение одиночного фотона с одного NV-центра в подобной наноантенне довольно сложная задача. В перспективе разработанная исследователями концепция варьирования положения азотных вакансий и размеров наночастиц позволит эффективно управлять излучением источников одиночных фотонов. Это очень важно для создания квантовых компьютеров и оптических коммуникационных сетей будущего.
