Группа исследователей из Университета информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) разработала уникальный управляемый источник света на основе наноразмерного кристалла алмаза. В ходе проведенных этой серии экспериментов было установлено, что интеграция кристаллического алмаза позволяет практически удвоить интенсивность излучения и обеспечивает возможность управления источником без привлечения дополнительных наноструктур. Ключевым фактором данных достижений является создание искусственных дефектов в кристаллической структуре материала. Разработанная технология обладает значительным потенциалом для применения при проектировании квантовых компьютеров и современных оптических коммуникационных сетей. Исследования в области современной нанофотоники условно разделены на два направления – на создание активных диэлектрических наноантенн и на создание управляемых источников фотонов.

В качестве основы наноантенн обычно используются металлические частицы на поверхности которых активно возникают плазмоны. Однако, высокий уровень оптических потерь и нагрев металлов во время работы вынуждают ученых искать альтернативные варианты. Поэтому ученые из ИТМО уже некоторое время активно исследуют возможность использования в нанофотонике диэлектрических материалов, ранее они уже успешно создали наноантенны из кремния и перовскитов.

Наноалмазы, за счет их крошечных размеров, обладают некоторыми удивительными свойствами. Алмаз сам по себе имеет очень высокий коэффициент преломления света, высокую удельную теплопроводность и малую химическую активность. А если в алмазе искусственно создать дефекты, называемые азотными вакансиями, то такой кристалл обретает дополнительные свойства. Азотная вакансия (Nitrogen-Vacancy, NV) возникает в месте, где один атом углерода заменяется на атом азота. Направлением вращения оставшимся свободным электрона легко управлять при помощи света и, благодаря этому, вакансию можно использовать в качестве квантового бита, кубита, способного хранить квантовую информацию.

Ученые из ИТМО определили, что уровень излучаемого наноалмазом света может быть увеличен путем совмещения спектра люминесценции NV-центра с частотой оптического резонанса самого нанокристалла. Это может быть достигнуто путем размещения вакансии в строго определенном месте и придания самому кристаллу особой формы.

“Обычно для усиления потока излучаемого света используется сложная система оптических резонаторов” – пишут исследователи, – “Нам же удалось получить подобный эффект без использования каких-либо дополнительных элементов. При этом, нам удалось практически удвоить скорость управления работой источника света, используя только обычные законы физики”.

Ученые проводили свои эксперименты с кристаллами, в которых имелось по нескольку азотных вакансий. Но проведенные ими же теоретические расчеты показали, что кристалл, в котором будет присутствовать только одна азотная вакансия, будет работать как высокоэффективный и управляемый источник единичных фотонов, который может стать активным элементом фотонных логических элементов и других устройств.

Для любознательных

Управляемый источник света на основе наноразмерного кристалла алмаза — это наноустройство, способное генерировать и контролировать излучение фотонов (света) за счёт особых свойств наноалмазов с искусственно созданными дефектами в кристаллической решётке. Разберём подробнее.

Ключевые компоненты и принцип работы

Наноалмазы — углеродные наноструктуры размером в несколько нанометров. Они обладают:

• высоким показателем преломления;
• высокой теплопроводностью;
• химической инертностью (почти не взаимодействуют с другими веществами).

NV‑центры (центры азот‑вакансия) — искусственные дефекты в кристаллической решётке алмаза. Создаются путём:

• удаления одного атома углерода из решётки (возникает «вакансия»);
• внедрения атома азота рядом с этой вакансией.

Управление излучением основано на свойствах NV‑центров:

• электронный спин (условное «вращение» электрона вокруг своей оси) такого дефекта можно контролировать с помощью света, магнитного или микроволнового излучения;
• меняя состояние спина (например, с «0» на «1»), можно записывать и считывать квантовую информацию.

Усиление излучения достигается за счёт сочетания двух эффектов:

• люминесценции NV‑центра (испускание фотонов при переходе электрона между энергетическими уровнями); 
• Ми‑резонансов алмазной наночастицы (оптические резонансы, возникающие из‑за взаимодействия света с диэлектрической частицей определённого размера).

При оптимальном положении NV‑центра внутри наноалмаза и подборе размера частицы спектр люминесценции совпадает с Ми‑резонансами, что усиливает излучение.

Фактор (коэффициент) Парселла показывает, насколько алмазная оболочка ускоряет спонтанное излучение источника. При его увеличении:

• время затухания люминесценции сокращается (фотоны испускаются быстрее);
• интенсивность оптического сигнала растёт (считывать информацию становится проще).

Достигнутые результаты

Эксперименты (в т. ч. проведённые учёными из Университета ИТМО и Австралийского национального университета) показали:

• время затухания люминесценции удалось сократить минимум вдвое;
• интенсивность излучения увеличилась примерно в 2 раза;
• теоретически для одиночных фотонов скорость излучения может вырасти в десятки раз (при реализации управления отдельными NV‑центрами).

Важное преимущество — эффект достигнут без дополнительных резонаторов или микроструктур, только за счёт свойств самих наноалмазов.

Перспективы и применение

Такие источники света перспективны для:

• квантовых компьютеров — как источники одиночных фотонов для передачи и обработки квантовой информации;
• оптических сетей связи — для создания защищённых каналов передачи данных на основе квантовой криптографии;
• систем визуализации — высокочувствительные сенсоры и биомаркеры (наноалмазы биосовместимы и могут использоваться in vivo);
• нанофотоники — создание активных диэлектрических наноантенн, заменяющих плазмонные металлические аналоги (которые страдают от оптических потерь и нагрева).

---

Управляемые источники света на основе наноразмерных кристаллов алмаза разрабатывают несколько научных групп, в том числе российские и международные коллективы. Одно из первых значимых достижений в этой области принадлежит команде физиков из Университета ИТМО (Санкт-Петербург, Россия) и Австралийского национального университета. В 2018 году они впервые в мире создали управляемый источник света на основе наноалмаза.

Исследователи использовали наноалмазы с центрами азот-вакансия (NV-центрами). Такие дефекты создаются искусственно: при удалении атома углерода из кристаллической решётки алмаза образовавшаяся вакансия связывается с внедрённым атомом азота. Электронным спином такого дефекта можно управлять с помощью света, что позволяет записывать квантовую информацию.

Учёные обнаружили, что излучение наноалмазов можно усилить, если совместить спектр люминесценции NV-центра с Ми-резонансами алмазной наночастицы. Этого можно добиться при определённом положении NV-центра и соответствующем размере частицы. В таком случае увеличивается фактор Парселла — показатель, который оценивает влияние алмазной оболочки на скорость спонтанного излучения источника. При росте этого фактора время затухания люминесценции сокращается, а интенсивность сигнала увеличивается.

Эксперименты показали, что алмазная оболочка вдвое усиливает скорость излучения и позволяет управлять источниками света без дополнительных нано- и микроструктур. Теоретические расчёты также продемонстрировали, что скорость излучения источников одиночных фотонов в алмазной оболочке может увеличиться в несколько десятков раз.

Результаты работы важны для разработки квантовых компьютеров и оптических сетей. Исследование было опубликовано в журнале Nanoscale.

Другие группы также работают с наноалмазами и их оптическими свойствами. Например, в Лаборатории углеродной нанофотоники ИОФ РАН исследуют люминесцирующие центры в синтетических алмазных кристаллах, создают эмиттеры одиночных фотонов на основе наноалмазов и разрабатывают методы их контролируемого формирования.

Таким образом, исследования в этой области продолжаются, и наноалмазы с управляемым излучением имеют большой потенциал для применения в квантовых технологиях, оптической связи и других направлениях.

Краткий итог: управляемый источник света на основе наноалмаза — это прорыв в нанофотонике. Он сочетает простоту конструкции (один наноалмаз с NV‑центром) и высокую эффективность, открывая путь к компактным квантовым устройствам следующего поколения.