Wanneer 'n stroom op 'n dun laag wolframdiselenied toegepas word, begin dit op 'n hoogs ongewone manier gloei. Benewens gewone lig, wat ander halfgeleiermateriale kan uitstraal, produseer wolframdiselenied ook 'n baie spesiale tipe helder kwantumlig, wat slegs op spesifieke punte van die materiaal geskep word. Dit bestaan ​​uit 'n reeks fotone wat altyd een vir een uitgestraal word—nooit in pare of in trosse nie. Hierdie anti-bons-effek is perfek vir eksperimente op die gebied van kwantuminligting en kwantumkriptografie, waar enkelfotone benodig word. Hierdie emissie het egter jare lank 'n raaisel gebly.

Navorsers by TU Wene het dit nou verduidelik: 'n Subtiele interaksie van enkele atoomdefekte in die materiaal en meganiese spanning is verantwoordelik vir hierdie kwantumlig-effek. Rekenaarsimulasies wys hoe die elektrone na spesifieke plekke in die materiaal aangedryf word, waar hulle deur 'n defek vasgevang word, energie verloor en 'n foton uitstraal. Die oplossing vir die kwantumligraaisel is nou in Physical Review Letters gepubliseer.

Slegs drie atome dik

Tungsten diselenide is 'n tweedimensionele materiaal wat uiters dun lae vorm. Sulke lae is slegs drie atoomlae dik, met wolframatome in die middel, gekoppel aan seleniumatome onder en bo. "As energie aan die laag verskaf word, byvoorbeeld deur 'n elektriese spanning aan te lê of deur dit met lig van 'n geskikte golflengte te bestraal, begin dit skyn," verduidelik Lukas Linhart van die Instituut vir Teoretiese Fisika aan die TU Wene. “Dit is op sigself nie ongewoon nie, baie materiale doen dit. Toe die lig wat deur wolfraamdiselenied uitgestraal word, egter in detail ontleed is, is benewens gewone lig ’n spesiale tipe lig met baie ongewone eienskappe opgespoor.”

Hierdie spesiale natuur kwantumlig bestaan ​​uit fotone van spesifieke golflengtes—en hulle word altyd individueel uitgestraal. Dit gebeur nooit dat twee fotone van dieselfde golflengte gelyktydig opgespoor word nie. "Dit sê vir ons dat hierdie fotone nie lukraak in die materiaal geproduseer kan word nie, maar dat daar sekere punte in die wolfram-diseleniedmonster moet wees wat baie van hierdie fotone, een na die ander produseer," verduidelik professor Florian Libisch, wie se navorsing fokus op twee -dimensionele materiaal.

Om hierdie effek te verduidelik vereis gedetailleerde begrip van die gedrag van die elektrone in die materiaal op 'n kwantumfisiese vlak. Elektrone in wolframdiselenied kan verskillende energietoestande beset. As 'n elektron van 'n toestand van hoë energie na 'n toestand van laer energie verander, word 'n foton uitgestraal. Hierdie sprong na 'n laer energie word egter nie altyd toegelaat nie: Die elektron moet aan sekere wette voldoen—die behoud van momentum en hoekmomentum.

As gevolg van hierdie bewaringswette moet 'n elektron in 'n hoë-energie-kwantumtoestand daar bly—tensy sekere onvolmaakthede in die materiaal die energietoestande toelaat om te verander. “’n Wolfram-diseleniedlaag is nooit perfek nie. Op sommige plekke kan een of meer seleniumatome ontbreek,” sê Lukas Linhart. "Dit verander ook die energie van die elektrontoestande in hierdie streek."

Boonop is die materiaallaag nie 'n perfekte vlak nie. Soos 'n kombers wat kreukel wanneer dit oor 'n kussing versprei word, rek wolframdiselenied plaaslik wanneer die materiaallaag op klein steunstrukture gehang word. Hierdie meganiese spanning het ook 'n effek op die elektroniese energietoestande.

“Die interaksie van materiaaldefekte en plaaslike stamme is ingewikkeld. Ons het egter nou daarin geslaag om albei effekte op 'n rekenaar te simuleer,” sê Lukas Linhart. "En dit blyk dat slegs die kombinasie van hierdie effekte die vreemde ligeffekte kan verklaar."

By daardie mikroskopiese streke van die materiaal, waar defekte en oppervlakvervormings saam voorkom, verander die energievlakke van die elektrone van 'n hoë- na 'n lae-energietoestand en straal 'n foton uit. Die wette van kwantumfisika laat nie toe dat twee elektrone op dieselfde tyd in presies dieselfde toestand is nie, en daarom moet die elektrone hierdie proses een vir een ondergaan. As gevolg hiervan word die fotone ook een vir een uitgestraal.

Terselfdertyd help die meganiese vervorming van die materiaal om 'n groot aantal elektrone in die omgewing van die defek te versamel sodat 'n ander elektron geredelik beskikbaar is om in te tree nadat die laaste een sy toestand verander het en 'n foton uitgestraal het.

Hierdie resultaat illustreer dat ultradun 2-D-materiale heeltemal nuwe moontlikhede vir materiaalwetenskap oopmaak.