Российские физики создали из нанокристаллов алмаза новый тип активных антенн для нанофотонных устройств, которые испускают более яркое люминесцентное излучение и при этом обладают меньшим временем реакции. Источником излучения в алмазе служат парные дефекты, состоящие из кристаллической вакансии и атома азота, а сокращение паузы между облучением и люминесцентным ответом примерно в два раза (с 20 до 9 наносекунд) происходит за счет резонанса рассеянного в частице света, пишут ученые в Nanoscale.

Прогресс оптических компьютеров, в которых вместо электронов в качестве носителей информации используются фотоны, сильно замедляется из-за того, что типичные размеры компонентов электронных схем — десятки и единицы нанометров, что значительно меньше длины волны инфракрасного излучения, которое используется для передачи информации. Поэтому во всем мире ученые работают над созданием нанофотонных устройств, которые могут обойти это ограничение. Один из их ключевых элементов таких устройств — наноантенна, способная улавливать свет нужной длины волны и преобразовывать его: изменять направление, интенсивность или частоту. В качестве наноантенн обычно используют металлические частицы, способные поглощать электромагнитное излучение за счет эффекта плазмонного резонанса. Однако могут использоваться и диэлектрические частицы: например, недавно российские ученые из предложили использовать в качестве наноантенн перовскитные кристаллы, которые могут сами излучать свет нужной длины волны и направлять его в нужную сторону.

Группа ученых из Универистета ИТМО под руководством Ильи Шадривова (Ilya Shadrivov), часть из которых до этого работала и над перовскитной антенной, предложила использовать в качестве активной наноантенны, способной усиливать интенсивность излучения, другой диэлектрический материал — алмазные нанокристаллы. Принцип работы такой наноантенны основан на совмещении квантового источника света и резонатора внутри одной частицы.

В качестве источника излучения в наноалмазе ученые предложили использовать парный дефект кристаллической решетки, состоящий встроенного в углеродную структуру атома азота (N) и связанной с ним вакансии (V) — пустой позиции в кристаллической решетке, в которой должен находиться атом углерода. Такой парный дефект отрицательно заряжен и служит в наноалмазе центром окраски, то есть способен поглощать свет в видимом диапазоне спектра и потом за счет фотолюминесценции переизлучать его с другой частотой.

Слева представлена принципиальная схема работы предложенной активной наноантенны, справа — спектры: лазерного излучения, которое использовалось для накачки (зеленый), фотолюминесценции NV-центров (красный) и интенсивности рассеяния Ми внутри наноалмаза (синий). A.S. Zalogina et al./ Nanoscale, 2018

Для усиления излучения NV-дефектов в наноалмазе ученые предложили подобрать размер кристалла таким образом, чтобы при этом наблюдался резонанс Ми — увеличение интенсивности рассеянного на сферической частице излучения определенных длин волн, сравнимых с размерами частицы. В этом случае за счет эффекта Парселла происходит увеличение скорости люминесценции в несколько раз по сравнению со спонтанным испусканием света в свободном пространстве.

Предложенную схему активной наноантенны физики изучили с помощью теоретических вычислений, которые затем подтвердили и экспериментально. Для возбуждения дефектных центров в кристалле размером от 300 нанометров до 2 микрометров использовался лазер с длиной волны 532 нанометра, а в результате люминесценции испускался свет широкого спектра с длиной волны примерно от 600 до 800 нанометров. В кристаллах правильного размера часть этого излучения резонировала за счет рассеяния Ми, что приводило к уменьшению времени люминесценции и увеличению ее интенсивности.

Слева — карта интенсивности рассеяния Ми в алмазном нанокристалле в зависимости от расстояния до источника, посередине — коэффициент усиления поля, справа — коэффициент увеличения интенсивности излучения в зависимости от длины волны. A.S. Zalogina et al./ Nanoscale, 2018

Оказалось, что время жизни возбужденного состояния NV-центров за счет эффекта Парселла уменьшается примерно в 1,5–3 раза по сравнению не нерезонансным состоянием, от 20–25 до 9–17 наносекунд. По словам авторов исследования, обычно для того чтобы сократить время затухания люминесценции и увеличить скорость излучения, приходится создавать сложную систему резонаторов, а в данном случае добиться подобных результатов удалось только за счет правильного подбора источников излучения и размера кристаллов.

Ученые отмечают, что предложенная схема активных алмазных наноантенн довольно проста для экспериментальной реализации, поэтому такие устройства обладают большим потенциалом для использования в качестве управляемых источников излучения в фотонных системах. Такие устройства могут использоваться, например, для быстрого переключения фотонных диодов, а также в качестве источников фотонов для квантовых вычислений или получения изображений биологических объектов.

Наноантенны для получают не только из металлов или диэлектриков, но и из полупроводниковых наночастиц: например, недавно физики из Австралийского национального университета получили наноантенны из смешанного арсенида галлия и алюминия, которые поглощают инфракрасный свет и за счет генерации второй гармоники преобразуют его в видимый.

Автор: Александр Дубов