Kada se struja nanese na tanak sloj volfram diselenida, on počinje svijetliti na vrlo neobičan način. Osim obične svjetlosti, koju drugi poluvodički materijali mogu emitovati, volfram diselenid također proizvodi vrlo posebnu vrstu jarke kvantne svjetlosti, koja se stvara samo na određenim tačkama materijala. Sastoji se od niza fotona koji se uvijek emituju jedan po jedan – nikada u parovima ili u snopovima. Ovaj anti-bunching efekat je savršen za eksperimente u oblasti kvantnih informacija i kvantne kriptografije, gde su potrebni pojedinačni fotoni. Međutim, godinama je ova emisija ostala misterija.

Istraživači sa TU Beč sada su objasnili ovo: suptilna interakcija pojedinačnih atomskih defekata u materijalu i mehaničkog naprezanja odgovorni su za ovaj kvantni svjetlosni efekat. Kompjuterske simulacije pokazuju kako se elektroni pokreću na određena mjesta u materijalu, gdje bivaju zarobljeni defektom, gube energiju i emituju foton. Rješenje zagonetke kvantne svjetlosti je sada objavljeno u Physical Review Letters.

Samo tri atoma debljine

Volfram diselenid je dvodimenzionalni materijal koji formira izuzetno tanke slojeve. Takvi slojevi su debeli samo tri atomska sloja, sa atomima volframa u sredini, spojenim sa atomima selena ispod i iznad. „Ako se sloju dovede energija, na primjer primjenom električnog napona ili zračenjem svjetlošću odgovarajuće talasne dužine, on počinje da sija“, objašnjava Lukas Linhart sa Instituta za teorijsku fiziku pri TU Beč. “Ovo samo po sebi nije neobično, mnogi materijali to rade. Međutim, kada je svjetlost koju emituje volfram diselenid detaljno analizirana, pored obične svjetlosti otkrivena je posebna vrsta svjetlosti s vrlo neobičnim svojstvima.”

Ova kvantna svjetlost posebne prirode sastoji se od fotona određenih talasnih dužina—i oni se uvijek emituju pojedinačno. Nikada se ne dešava da se dva fotona iste talasne dužine detektuju u isto vreme. "Ovo nam govori da se ovi fotoni ne mogu proizvesti nasumično u materijalu, već da moraju postojati određene tačke u uzorku volfram diselenida koje proizvode mnoge od ovih fotona, jedan za drugim", objašnjava profesor Florian Libisch, čije se istraživanje fokusira na dva -dimenzionalni materijali.

Objašnjavanje ovog efekta zahtijeva detaljno razumijevanje ponašanja elektrona u materijalu na kvantnom fizičkom nivou. Elektroni u volfram diselenidu mogu zauzimati različita energetska stanja. Ako elektron prijeđe iz stanja visoke energije u stanje niže energije, emituje se foton. Međutim, ovaj skok na nižu energiju nije uvijek dozvoljen: elektron se mora pridržavati određenih zakona – očuvanja količine gibanja i ugaonog momenta.

Zbog ovih zakona održanja, elektron u visokoenergetskom kvantnom stanju mora ostati tamo - osim ako određene nesavršenosti u materijalu ne dopuštaju promjenu energetskih stanja. “Sloj volfram diselenida nikada nije savršen. Na nekim mjestima možda nedostaje jedan ili više atoma selena”, kaže Lukas Linhart. “Ovo također mijenja energiju elektronskih stanja u ovoj regiji.”

Štaviše, sloj materijala nije savršena ravan. Poput pokrivača koji se nabora kada se raširi preko jastuka, volframov diselenid se lokalno rasteže kada je sloj materijala okačen na male potporne strukture. Ova mehanička naprezanja također utiču na elektronska energetska stanja.

„Interakcija nedostataka materijala i lokalnih deformacija je komplikovana. Međutim, sada smo uspjeli simulirati oba efekta na kompjuteru”, kaže Lukas Linhart. “I ispostavilo se da samo kombinacija ovih efekata može objasniti čudne svjetlosne efekte.”

U tim mikroskopskim područjima materijala, gdje se defekti i površinska deformacija pojavljuju zajedno, energetski nivoi elektrona mijenjaju se iz stanja visoke u stanje niske energije i emituju foton. Zakoni kvantne fizike ne dozvoljavaju da dva elektrona budu u potpuno istom stanju u isto vrijeme, te stoga elektroni moraju proći ovaj proces jedan po jedan. Kao rezultat, fotoni se takođe emituju jedan po jedan.

U isto vrijeme, mehaničko izobličenje materijala pomaže da se akumulira veliki broj elektrona u blizini defekta, tako da je drugi elektron lako dostupan za ulazak nakon što je posljednji promijenio svoje stanje i emitovao foton.

Ovaj rezultat ilustruje da ultratanki 2-D materijali otvaraju potpuno nove mogućnosti za nauku o materijalima.