Когато се приложи ток към тънък слой волфрамов диселенид, той започва да свети по изключително необичаен начин. В допълнение към обикновената светлина, която други полупроводникови материали могат да излъчват, волфрамовият диселенид също произвежда много специален тип ярка квантова светлина, която се създава само в определени точки от материала. Състои се от поредица от фотони, които винаги се излъчват един по един - никога по двойки или на групи. Този ефект против групиране е идеален за експерименти в областта на квантовата информация и квантовата криптография, където са необходими единични фотони. От години обаче това излъчване остава загадка.

Изследователи от TU Vienna вече обясниха това: финото взаимодействие на единични атомни дефекти в материала и механичното напрежение са отговорни за този квантов светлинен ефект. Компютърни симулации показват как електроните се задвижват до определени места в материала, където се улавят от дефект, губят енергия и излъчват фотон. Решението на пъзела с квантовата светлина вече е публикувано в Physical Review Letters.

Дебелина само три атома

Волфрамовият диселенид е двуизмерен материал, който образува изключително тънки слоеве. Такива слоеве са с дебелина само три атомни слоя, с волфрамови атоми в средата, свързани със селенови атоми отдолу и отгоре. „Ако към слоя се подаде енергия, например чрез прилагане на електрическо напрежение или чрез облъчването му със светлина с подходяща дължина на вълната, той започва да свети“, обяснява Лукас Линхарт от Института по теоретична физика към TU Vienna. „Това само по себе си не е необичайно, много материали го правят. Въпреки това, когато светлината, излъчвана от волфрамов диселенид, беше анализирана подробно, в допълнение към обикновената светлина беше открит специален тип светлина с много необичайни свойства.

Тази специална природна квантова светлина се състои от фотони със специфични дължини на вълната - и те винаги се излъчват индивидуално. Никога не се случва два фотона с еднаква дължина на вълната да бъдат открити едновременно. „Това ни казва, че тези фотони не могат да бъдат произведени на случаен принцип в материала, но че трябва да има определени точки в пробата от волфрамов диселенид, които произвеждат много от тези фотони един след друг“, обяснява професор Флориан Либиш, чието изследване се фокусира върху две -габаритни материали.

Обяснението на този ефект изисква подробно разбиране на поведението на електроните в материала на квантово физическо ниво. Електроните във волфрамов диселенид могат да заемат различни енергийни състояния. Ако един електрон премине от състояние с висока енергия в състояние с по-ниска енергия, се излъчва фотон. Въпреки това, този скок към по-ниска енергия не винаги е разрешен: Електронът трябва да се придържа към определени закони - запазването на импулса и ъгловия момент.

Поради тези закони за запазване, електрон във високоенергийно квантово състояние трябва да остане там - освен ако някои несъвършенства в материала не позволяват енергийните състояния да се променят. „Слоят от волфрамов диселенид никога не е перфектен. На някои места един или повече селенови атоми може да липсват“, казва Лукас Линхарт. "Това също променя енергията на електронните състояния в този регион."

Освен това материалният слой не е идеална равнина. Подобно на одеяло, което се набръчква, когато се простира върху възглавница, волфрамовият диселенид се разтяга локално, когато слоят материал е окачен върху малки опорни конструкции. Тези механични напрежения също имат ефект върху електронните енергийни състояния.

„Взаимодействието на материални дефекти и локални деформации е сложно. Сега обаче успяхме да симулираме и двата ефекта на компютър“, казва Лукас Линхарт. „И се оказва, че само комбинацията от тези ефекти може да обясни странните светлинни ефекти.“

В тези микроскопични области на материала, където дефектите и повърхностните деформации се появяват заедно, енергийните нива на електроните се променят от високо към ниско енергийно състояние и излъчват фотон. Законите на квантовата физика не позволяват два електрона да бъдат в едно и също състояние по едно и също време и следователно електроните трябва да преминат през този процес един по един. В резултат на това фотоните също се излъчват един по един.

В същото време механичното изкривяване на материала спомага за натрупването на голям брой електрони в близост до дефекта, така че друг електрон да е лесно достъпен за намеса, след като последният промени състоянието си и излъчи фотон.

Този резултат показва, че ултратънките 2-D материали отварят напълно нови възможности за материалознанието.