Investigadores del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Tsukuba demostraron efectos ópticos no lineales de segundo orden en diamantes al aprovechar los defectos internos del centro de color que rompen la simetría de inversión del cristal de diamante. Esta investigación puede conducir a comunicaciones por Internet más rápidas, computadoras totalmente ópticas, e incluso abrir una ruta hacia las tecnologías de detección cuántica de próxima generación.

La tecnología de fibra óptica actual utiliza pulsos de luz para transferir datos de ancho de banda amplio que le permiten consultar su correo electrónico. ver videos, y todo lo demás en Internet. El principal inconveniente es que los pulsos de luz apenas interactúan entre sí, por lo que la información debe convertirse en señales eléctricas para que su computadora pueda manejarla. Un sistema "totalmente óptico" con procesamiento lógico basado en luz sería mucho más rápido y eficiente. Esto requeriría nuevos materiales ópticos no lineales fáciles de fabricar que pueden mediar en la combinación o división de fotones.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Tsukuba ha demostrado que los diamantes sintéticos pueden presentar una respuesta no lineal de segundo orden. Previamente, Los científicos pensaron que la naturaleza simétrica de inversión de la red de cristal de diamante solo podría soportar más débiles, efectos ópticos no lineales de orden impar, que dependen de la amplitud del campo eléctrico elevado a la potencia de tres, cinco, etcétera. Pero el equipo demostró que los diamantes pueden soportar efectos ópticos no lineales de segundo orden cuando se introducen los centros de color, los llamados centros de nitrógeno vacío (NV). En estos casos, dos átomos de carbono adyacentes en la red rígida del diamante se reemplazan con un átomo de nitrógeno y una vacante. Esto rompe la simetría de inversión y permite que ocurran procesos no lineales de orden par, que incluyen resultados más útiles que escalan como el campo eléctrico al cuadrado. "Nuestro trabajo nos permite producir potentes efectos ópticos no lineales de segundo orden, como la segunda generación armónica y el efecto electroóptico, en diamantes a granel, ", dice el autor principal, el profesor Muneaki Hase.

El equipo utilizó diamantes monocristalinos depositados por vapor químico (de Element Six), con iones de nitrógeno adicionales implantados para fomentar la formación de centros NV. El espectro de emisión que observaron cuando los diamantes se excitaron con luz de 1350 nm mostró picos armónicos claros de segundo y tercer orden (Figura 1). Estas observaciones representan la fusión de dos o tres fotones, respectivamente, en un solo fotón de mayor energía. "Además de los nuevos dispositivos fotónicos, El efecto óptico no lineal de segundo orden de los centros NV en los diamantes podría usarse como base de la detección cuántica de campos electromagnéticos, ", dice el primer autor, el Dr. Aizitiaili Abulikemu. Dado que los diamantes ya se utilizan en aplicaciones industriales, tienen la ventaja de ser relativamente fáciles de aplicar a usos ópticos.