عندما يتم تطبيق تيار على طبقة رقيقة من ثنائي سيلينيد التنغستن، فإنها تبدأ في التوهج بطريقة غير عادية للغاية. بالإضافة إلى الضوء العادي، الذي يمكن أن تنبعث منه مواد شبه موصلة أخرى، ينتج ثنائي سيلينيد التنغستن أيضًا نوعًا خاصًا جدًا من الضوء الكمومي الساطع، والذي يتم إنشاؤه فقط في نقاط محددة من المادة. وهو يتألف من سلسلة من الفوتونات التي تنبعث دائمًا واحدًا تلو الآخر، وليس في أزواج أو في مجموعات. يعد هذا التأثير المضاد للتجميع مثاليًا للتجارب في مجال المعلومات الكمومية والتشفير الكمي، حيث تكون الفوتونات المفردة مطلوبة. ومع ذلك، ظل هذا الانبعاث لغزا لسنوات عديدة.

لقد أوضح الباحثون في جامعة TU Vienna هذا الآن: إن التفاعل الدقيق بين العيوب الذرية المفردة في المادة والإجهاد الميكانيكي هو المسؤول عن تأثير الضوء الكمي هذا. تُظهر عمليات المحاكاة الحاسوبية كيف يتم دفع الإلكترونات إلى أماكن محددة في المادة، حيث يتم التقاطها بسبب خلل، وتفقد الطاقة وتنبعث منها فوتونًا. لقد تم الآن نشر حل لغز الضوء الكمومي في مجلة Physical Review Letters.

سمكها ثلاث ذرات فقط

ديسيلينيد التنغستن هو مادة ثنائية الأبعاد تشكل طبقات رقيقة للغاية. يبلغ سمك هذه الطبقات ثلاث طبقات ذرية فقط، مع ذرات التنغستن في المنتصف، مقترنة بذرات السيلينيوم في الأسفل والأعلى. يوضح لوكاس لينهارت من معهد الفيزياء النظرية في جامعة TU فيينا: "إذا تم توفير الطاقة للطبقة، على سبيل المثال عن طريق تطبيق جهد كهربائي أو عن طريق تشعيعها بضوء ذو طول موجي مناسب، فإنها تبدأ في التألق". "هذا في حد ذاته ليس بالأمر غير المعتاد، فالعديد من المواد تفعل ذلك. ومع ذلك، عندما تم تحليل الضوء المنبعث من ثنائي سيلينيد التنغستن بالتفصيل، بالإضافة إلى الضوء العادي، تم اكتشاف نوع خاص من الضوء ذو خصائص غير عادية للغاية.

يتكون هذا الضوء الكمي ذو الطبيعة الخاصة من فوتونات ذات أطوال موجية محددة، وهي تنبعث دائمًا بشكل فردي. لا يحدث أبدًا أن يتم اكتشاف فوتونين لهما نفس الطول الموجي في نفس الوقت. "هذا يخبرنا أن هذه الفوتونات لا يمكن إنتاجها بشكل عشوائي في المادة، ولكن يجب أن تكون هناك نقاط معينة في عينة ديسيلينيد التنغستن التي تنتج العديد من هذه الفوتونات، واحدة تلو الأخرى"، يوضح البروفيسور فلوريان ليبيش، الذي تركز أبحاثه على اثنين - مواد ذات أبعاد.

يتطلب شرح هذا التأثير فهمًا تفصيليًا لسلوك الإلكترونات الموجودة في المادة على المستوى الفيزيائي الكمي. يمكن للإلكترونات الموجودة في ثنائي سيلينيد التنغستن أن تشغل حالات طاقة مختلفة. إذا تحول الإلكترون من حالة الطاقة العالية إلى حالة الطاقة المنخفضة، ينبعث الفوتون. ومع ذلك، فإن هذا القفز إلى طاقة أقل ليس مسموحًا به دائمًا: يجب على الإلكترون أن يلتزم بقوانين معينة، مثل الحفاظ على الزخم والزخم الزاوي.

وبسبب قوانين الحفظ هذه، يجب أن يبقى الإلكترون في حالة كمومية عالية الطاقة هناك، ما لم تسمح عيوب معينة في المادة بتغير حالات الطاقة. "إن طبقة ديسيلينيد التنغستن ليست مثالية أبدًا. يقول لوكاس لينهارت: “في بعض الأماكن، قد تكون ذرة أو أكثر من ذرات السيلينيوم مفقودة”. "وهذا يغير أيضًا طاقة حالات الإلكترون في هذه المنطقة."

علاوة على ذلك، فإن الطبقة المادية ليست بمستوى مثالي. مثل البطانية التي تتجعد عند فردها فوق وسادة، فإن ثنائي سيلينيد التنغستن يتمدد محليًا عندما يتم تعليق طبقة المادة على هياكل دعم صغيرة. هذه الضغوط الميكانيكية لها أيضًا تأثير على حالات الطاقة الإلكترونية.

"إن التفاعل بين العيوب المادية والسلالات المحلية أمر معقد. ومع ذلك، فقد نجحنا الآن في محاكاة كلا التأثيرين على جهاز الكمبيوتر،» كما يقول لوكاس لينهارت. "واتضح أن مجموعة هذه التأثيرات فقط هي التي يمكنها تفسير تأثيرات الضوء الغريبة."

في تلك المناطق المجهرية من المادة، حيث تظهر العيوب والسلالات السطحية معًا، تتغير مستويات طاقة الإلكترونات من حالة الطاقة العالية إلى حالة الطاقة المنخفضة وينبعث منها فوتون. لا تسمح قوانين فيزياء الكم بوجود إلكترونين في نفس الحالة تمامًا في نفس الوقت، وبالتالي، يجب أن تخضع الإلكترونات لهذه العملية واحدًا تلو الآخر. ونتيجة لذلك، تنبعث الفوتونات واحدًا تلو الآخر أيضًا.

وفي الوقت نفسه، يساعد التشوه الميكانيكي للمادة على تراكم عدد كبير من الإلكترونات في محيط العيب بحيث يكون إلكترونًا آخر متاحًا بسهولة للتدخل بعد أن يغير الأخير حالته ويصدر فوتونًا.

توضح هذه النتيجة أن المواد فائقة الرقة ثنائية الأبعاد تفتح إمكانيات جديدة تمامًا لعلم المواد.