Так называемые азот-вакансии в наноалмазах могут найти применение в будущих квантовых устройствах, в том числе, для квантовых вычислений и в наноразмерных инструментах зондирования. Но для многих потенциальных приложений азот-вакансий было бы удобно интегрировать их с оптическими резонаторами, которые могут увеличивать количество излучаемого этими структурами света. Одной из основных проблем такой интеграции до сих пор являлась невозможность точно позиционировать азот-вакансию в оптическом резонаторе на наноуровне. Однако, согласно новой методике, предложенной совместной группой ученых из США и Австралии, помочь в решении проблемы могут так называемые «дельта-легированные» азот-вакансии.

Атомные примеси или дефекты в природном алмазе могут привести к появлению розовых, голубых и желтых бриллиантов. Один из таких дефектов – отрицательно заряженная азот-вакансия – возникает, когда атом азота и пустой узел кристаллической решетки алмаза (углерода) оказываются близко друг к другу внутри кристалла.

При освещении такого дефекта лазером определенной длины волны, азот-вакансия (известная также, как NV-центр) излучает свет другого цвета, при этом интенсивность излучения зависит от спина электрона в азот-вакансии.

Чтобы использовать оптический резонатор для извлечения выгоды из этого интенсивного излучения, необходимо, чтобы азот-вакансия располагалась в определенной точке внутри такого резонатора, так чтобы эти две структуры взаимодействовали оптимальным образом.

Проблема заключается в том, что полости – оптические резонаторы – которые хорошо интегрируются с азот-вакансиями, сложны в изготовлении. Кроме того, азот-вакансия представляет собой структуру размером не более атома, таким образом, ее довольно сложно разместить в нужном месте.

Согласно последней работе группы ученых из University of California, University of Chicago (оба в США) и University of Technology (Австралия), использование азот-вакансий может существенно расшириться, благодаря технике, известной, как дельта-доппинг.

Эта техника позволяет позиционировать NV-центры в резонаторе с беспрецедентной точностью (в горизонтальной плоскости). А сам термин «дельта-легирование» происходит от математики – от дельта-функции. В данном случае термин указывает на то, что азот-вакансия намеренно создана лишь в пределах двумерной плоскости и не может существовать в другом месте.

Полости, созданные учеными, представляют собой фрагменты фотонного кристалла, сформированного за счет ряда периодических отверстий в алмазном образце, которые генерируют стоячую электромагнитную волну. Эта структура обеспечивает усиление электромагнитного поля на той же частоте, что излучает азот-вакансия.

Предложенный учеными подход позволяет, грубо говоря, определить Z-координату всех дельта-легированных азот-вакансий.

Т.е. может быть сформирована плоскость, в которой внутри образца расположены все NV-центры.

При создании фотонного кристалла вокруг данной плоскости исследователи могут быть уверены, что все азот-вакансии оказываются внутри него.

Стоит также отметить, что методика позволяет создавать оптические резонаторы очень высокого качества (оптические потери в них сведены к минимуму). По сравнению с предыдущими экспериментами, показатели качества оптических резонаторов повышены в 4 раза.

Подробные результаты работы совместной группы ученых опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

В перспективе ученые надеются разработать методику точного позиционирования азот-вакансий в трехмерном пространстве.