Un grupo de investigación de la Universidad de ITMO ha desarrollado la primera fuente de luz controlada basada en nanodiamantes. Los experimento demuestran que las capas de diamante pueden duplicar la velocidad de emisión de las fuentes de luz y ayudar a controlarlas sin necesidad de nano o micro estructuras adicionales. El resultado se consiguió gracias a la creación de defectos artificiales en las red cristalina de los diamantes. Los resultados de este hallazgo son muy importantes para el desarrollo de computadoras cuánticas y redes ópticas.
Una de las áreas clave de la nanofotónica moderna es el diseño de nanoantenas dieléctricas activas, que son fuentes fotónicas controladas. Como base para las nanoantenas, los científicos generalmente usan nanopartículas metálicas plasmónicas. Sin embargo, la pérdida óptica y las tasas de calentamiento de estas partículas alientan a los científicos a buscar alternativas. Por ejemplo, los investigadores de la Universidad ITMO están trabajando activamente en el campo de la nanofotónica dieléctrica: crean nanoantenas basadas en perovskitas y silicio.
Recientemente, los miembros del Laboratorio Internacional de Nanofotónica y Metamateriales de la Universidad de la ITMO desarrollaron un nuevo concepto de nanoantenas dieléctricas activas basadas en nanodiamantes.
Los nanodiamantes son nanoestructuras de carbono con propiedades únicas. Tienen un índice de refracción muy alto, alta conductividad térmica y baja actividad de interacción. Los científicos usan los nanodiamantes junto con los denominados NV-centers (nitrogen-vacancy centers), que son creados de forma artificial quitando los átomos de carbono de la estructura cristalina de los diamantes. El electrón spin de tales NV-centers puede ser fácilmente controlado por la luz, y esto hace que se pueda utilizar ese electrón spin para grabar información quántica.
Los científicos de la Universidad ITMO estudiaron las propiedades ópticas de los nanodiamantes y descubrieron que su radiación puede mejorarse combinando el espectro de luminiscencia del NV-center con las resonancias ópticas Mie de las nanopartículas de diamante. Esto se puede lograr en una determinada posición del centro NV y el tamaño de partícula apropiado. Los investigadores enfatizan que este efecto se logra usando solo propiedades de nanodiamantes.
«Por lo general, para acelerar la radiación, uno tiene que crear un complejo sistema de resonadores. Pero logramos resultados similares sin ninguna estructura adicional. Demostramos experimentalmente que el desvanecimiento de la luminiscencia se puede acelerar al menos dos veces con la simple física «, dice Dmitry Zuev del Laboratorio Internacional de Nanofotónica y Metamateriales.
De hecho, se llevaron a cabo experimentos en nanodiamantes con múltiples centros NV. Los investigadores también desarrollaron un modelo teórico para el comportamiento de las fuentes de fotones individuales en una capa de diamante. Los cálculos mostraron que la velocidad de emisión de la luz, en ese caso, puede aumentar varias docenas de veces.
«Hoy obtener un solo fotón de un centro NV en una nanoantenna es una tarea bastante difícil. Para implementar dicha nanoantenna activa en elementos lógicos, por ejemplo, necesitamos saber cómo gestionar sus emisiones. En perspectiva, nuestro concepto ayuda a administrar de manera efectiva las fuentes de emisión de fotones individuales. Es muy importante para el desarrollo de computadoras cuánticas y redes de comunicación óptica «, señala Anastasia Zalogina, autora principal del artículo, y miembro del Laboratorio Internacional de Nanofotónica y Metamateriales.
Créditos portada: Universidad de ITMO
