Figura 1. Lo spettro di emissione non lineare dal cristallo di diamante con centri NV (diamante NV) eccitato con laser IR (1350 nm). Sia SHG che THG sono generati simultaneamente a 675 nm e 450 nm, rispettivamente. Una fotografia nel riquadro è stata scattata durante l'emissione non lineare (SHG e THG) dal diamante NV. Credito:Università di Tsukuba
I ricercatori del Dipartimento di Fisica Applicata dell'Università di Tsukuba hanno dimostrato effetti ottici non lineari di secondo ordine nei diamanti sfruttando i difetti interni del centro di colore che rompono la simmetria di inversione del cristallo di diamante. Questa ricerca può portare a comunicazioni Internet più veloci, computer completamente ottici, e persino aprire la strada alle tecnologie di rilevamento quantistico di prossima generazione.
L'attuale tecnologia in fibra ottica utilizza impulsi luminosi per trasferire dati a banda larga che consentono di controllare la posta elettronica, guardare video, e tutto il resto su Internet. Lo svantaggio principale è che gli impulsi di luce difficilmente interagiscono tra loro, quindi le informazioni devono essere convertite in segnali elettrici per consentire al computer di gestirle. Un sistema "tutto ottico" con elaborazione logica basata sulla luce sarebbe molto più veloce ed efficiente. Ciò richiederebbe nuovi, materiali ottici non lineari facili da fabbricare che possono mediare la combinazione o la scissione di fotoni.
Ora, un team di ricercatori dell'Università di Tsukuba ha dimostrato che i diamanti sintetici possono mostrare una risposta non lineare di secondo ordine. In precedenza, gli scienziati pensavano che la natura simmetrica all'inversione del reticolo cristallino del diamante potesse supportare solo elementi più deboli, effetti ottici non lineari di ordine dispari, che dipendono dall'ampiezza del campo elettrico elevato alla potenza di tre, cinque, e così via. Ma il team ha dimostrato che i diamanti possono supportare effetti ottici non lineari di secondo ordine quando vengono introdotti i centri di colore, i cosiddetti centri di azoto vacante (NV). In questi casi, due atomi di carbonio adiacenti nel reticolo rigido del diamante vengono sostituiti con un atomo di azoto e un posto vacante. Ciò rompe la simmetria di inversione e consente il verificarsi di processi non lineari di ordine pari, che includono risultati più utili che scalano al quadrato del campo elettrico. "Il nostro lavoro ci consente di produrre potenti effetti ottici non lineari di secondo ordine, come la generazione della seconda armonica e l'effetto elettro-ottico, in diamanti sfusi, ", afferma l'autore senior, il professor Muneaki Hase.
Il team ha utilizzato diamanti a cristallo singolo depositati da vapore chimico (da Element Six), con ioni di azoto extra impiantati per incoraggiare la formazione di centri NV. Lo spettro di emissione che hanno osservato quando i diamanti sono stati eccitati con luce a 1350 nm ha mostrato chiari picchi armonici di secondo e terzo ordine (Figura 1). Queste osservazioni rappresentano la fusione di due o tre fotoni, rispettivamente, in un singolo fotone di maggiore energia. "Oltre ai nuovi dispositivi fotonici, l'effetto ottico non lineare di secondo ordine dei centri NV nei diamanti potrebbe essere usato come base del rilevamento quantistico dei campi elettromagnetici, " afferma il primo autore, il dott. Aizitiaili Abulikemu. Poiché i diamanti sono già utilizzati nelle applicazioni industriali, hanno il vantaggio di essere relativamente facilmente applicabili agli usi ottici.
