俄罗斯圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学（ITMO University）的研究人员已经开发出基于纳米金刚石的受控光源。研究人员的实验表明，金刚石外壳可以使光源的发射速度提高一倍，并且可以帮助控制光源而无需额外的纳米或微米结构。光源荧光效率的提高是由于人造金刚石晶格中的缺陷，具有人造“氮空位中心”（NV-centers）的纳米金刚石被用于制造纳米天线。

活性纳米金刚石天线的示意图。图片来源：俄罗斯圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学。

圣彼得堡国立信息技术机械与光学大学的研究团队与澳大利亚国立大学的研究人员合作，通过从金刚石晶格中去除碳原子制造出氮空位中心。然后他们将每个氮空位中心与植入的氮原子连接起来。研究人员发现，这种氮空位中心的电子自旋很容易被光控制。

对纳米金刚石天线的光学性质的理论研究，还包括场增强效应和珀塞尔效应。研究小组发现纳米金刚石天线的辐射可以通过将氮空位中心发光光谱与氮空位中心的某个位置的且粒径适当的金刚石纳米颗粒的光学米氏共振相结合来提高。使用这种方法，研究人员能够增加珀塞尔因子，这个指标是用来估算金刚石壳体如何影响光源自发辐射的速率。如果珀塞尔因子增加，则发光衰落时间减少，并且信号变得更强并且更易于读取。该团队只使用纳米金刚石就实现了这种效果。

研究人员Dmitry Zuev表示：“通常为了加速辐射，我们必须建立一个复杂的谐振器系统，目前我们在没有增加任何额外结构的情况下，设法取得了类似的结果。我们通过实验表明，仅仅使用简单的物理方法将能够加速至少两倍。“研究人员还为金刚石外壳中的单光子源行为建立了理论模型。计算表明，其发光速度可以提高几十倍。研究人员Anastasia Zalogina表示：“目前，我们从纳米天线的一个氮空位中心获得单个光子是一项相当艰巨的任务。例如我们为了在逻辑元件中实现这种活性纳米天线，就需要控制其发射过程。从目前来看，我们的概念将有助于有效控制单光子发射源，这对量子计算机和光通信网络的发展非常重要。”

通常，等离子体激元金属纳米颗粒被用作纳米天线的基底，但是这些纳米颗粒可能产生光学损耗。为了寻找金属纳米颗粒的替代品，俄罗斯的研究团队开发了基于纳米金刚石的活性电介质纳米天线。研究人员指出，纳米金刚石具有适用于纳米天线基底的特性，包括高折射率、高导热性和低相互作用活性。这项研究的结果有助于进一步研究量子光源的活性电介质纳米光子学、生物成像和量子信息处理。

该研究发表于Nanoscale。

来源： https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=63436

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