基於納米金剛石的可控光源

聖彼得堡國立信息技術機械與光學大學的一個研究小組開發了一種基於納米金剛石的可控光源。實驗表明，金剛石外殼使光源的發射速度增加一倍，並且在沒有任何額外的納米和微結構的情況下有助於控制光源。這是由於人造鑽石晶格中的缺陷而實現的。獲得的結果對於量子計算機和光網路的發展非常重要。這項工作發表在Nanoscale上（「Purcell effect in active diamond nanoantennas」）。

現代納米光子學的關鍵領域之一是設計有源電介質納米天線或可控光子源。作為納米天線的基礎，科學家通常使用等離子體金屬納米粒子。然而，這些粒子的光學損耗和熱效應促使科學家尋找替代品。例如，聖彼得堡國立信息技術機械與光學大學的研究人員積極開發電介質納米光子：他們創造基於鈣鈦礦和硅的納米天線。最近，聖彼得堡國立信息技術機械與光學大學納米光子學和超材料國際實驗室的成員開發了一種基於納米金剛石的新型有源介電納米天線的新概念。

有源納米金剛石天線的方案。（圖片來源：聖彼得堡國立信息技術機械與光學大學）

納米金剛石是具有獨特性質的碳納米結構。它們具有足夠高的折射率，高導熱率和低相互作用。科學家們使用納米金剛石與所謂的氮-空位中心（NV-中心）。它們是通過從金剛石晶格中去除碳原子而人為地產生的。然後將空位與植入的氮原子連接。這種NV-中心的電子自旋很容易被光控制，所以利用電子自旋可以記錄量子信息。

來自聖彼得堡國立信息技術機械與光學大學的科學家們研究了納米金剛石的光學性質，發現納米金剛石的輻射可以通過將NV中心發光光譜與金剛石納米粒子的光學米共振相結合而得到增強。這種增強可以在NV中心的特定位置和適當大小的粒子下實現。這樣可以增迦納米金剛石普塞爾因子。該指標用於估算金剛石外殼如何影響光源自發輻射的速率。如果普塞爾因子增加，發光的衰減時間就會減少，而信號本身會變得更強並且更容易讀取。

科學家們強調，這種效應是通過僅使用納米金剛石的特性來實現的。「通常，為了加速輻射，人們必須建立一個複雜的諧振系統，但我們在沒有任何附加結構的情況下，設法取得了類似的結果。我們通過實驗證明，只需簡單的物理原理，發光衰減至少可以加速兩倍。」納米光子和超材料國際實驗室的Dmitry Zuev說。

事實上，對具有多個NV中心的納米金剛石進行了實驗。儘管研究人員還為鑽石殼中單光子源的行為建立了理論模型。計算結果表明，光發射速度可以提高几十倍。

「今天在納米天線中從一個NV中心獲得單個光子是一項相當困難的任務。例如，為了在邏輯元件中實現這種有源納米天線，您需要管理它們的發射。從長遠來看，我們的概念將有助於有效管理單光子發射源，這對量子計算機和光通信網路的發展是非常重要的。」 這篇文章的主要作者，納米光子學和超材料國際實驗室的成員Anastasia Zalogina指出。

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