基于纳米金刚石的可控光源

圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学的一个研究小组开发了一种基于纳米金刚石的可控光源。实验表明，金刚石外壳使光源的发射速度增加一倍，并且在没有任何额外的纳米和微结构的情况下有助于控制光源。这是由于人造钻石晶格中的缺陷而实现的。获得的结果对于量子计算机和光网络的发展非常重要。这项工作发表在Nanoscale上（“Purcell effect in active diamond nanoantennas”）。

现代纳米光子学的关键领域之一是设计有源电介质纳米天线或可控光子源。作为纳米天线的基础，科学家通常使用等离子体金属纳米粒子。然而，这些粒子的光学损耗和热效应促使科学家寻找替代品。例如，圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学的研究人员积极开发电介质纳米光子：他们创造基于钙钛矿和硅的纳米天线。最近，圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学纳米光子学和超材料国际实验室的成员开发了一种基于纳米金刚石的新型有源介电纳米天线的新概念。

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有源纳米金刚石天线的方案。（图片来源：圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学）

纳米金刚石是具有独特性质的碳纳米结构。它们具有足够高的折射率，高导热率和低相互作用。科学家们使用纳米金刚石与所谓的氮-空位中心（NV-中心）。它们是通过从金刚石晶格中去除碳原子而人为地产生的。然后将空位与植入的氮原子连接。这种NV-中心的电子自旋很容易被光控制，所以利用电子自旋可以记录量子信息。

来自圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学的科学家们研究了纳米金刚石的光学性质，发现纳米金刚石的辐射可以通过将NV中心发光光谱与金刚石纳米粒子的光学米共振相结合而得到增强。这种增强可以在NV中心的特定位置和适当大小的粒子下实现。这样可以增加纳米金刚石普塞尔因子。该指标用于估算金刚石外壳如何影响光源自发辐射的速率。如果普塞尔因子增加，发光的衰减时间就会减少，而信号本身会变得更强并且更容易读取。

科学家们强调，这种效应是通过仅使用纳米金刚石的特性来实现的。“通常，为了加速辐射，人们必须建立一个复杂的谐振系统，但我们在没有任何附加结构的情况下，设法取得了类似的结果。我们通过实验证明，只需简单的物理原理，发光衰减至少可以加速两倍。”纳米光子和超材料国际实验室的Dmitry Zuev说。

事实上，对具有多个NV中心的纳米金刚石进行了实验。尽管研究人员还为钻石壳中单光子源的行为建立了理论模型。计算结果表明，光发射速度可以提高几十倍。

“今天在纳米天线中从一个NV中心获得单个光子是一项相当困难的任务。例如，为了在逻辑元件中实现这种有源纳米天线，您需要管理它们的发射。从长远来看，我们的概念将有助于有效管理单光子发射源，这对量子计算机和光通信网络的发展是非常重要的。” 这篇文章的主要作者，纳米光子学和超材料国际实验室的成员Anastasia Zalogina指出。

原文链接：https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=50101.php（实验帮译）

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