Quan s'aplica un corrent a una fina capa de diselenur de tungstè, comença a brillar d'una manera molt inusual. A més de la llum ordinària, que poden emetre altres materials semiconductors, el diselenur de tungstè també produeix un tipus molt especial de llum quàntica brillant, que només es crea en punts específics del material. Consisteix en una sèrie de fotons que s'emeten sempre un a un, mai en parelles ni en grups. Aquest efecte anti-agrupament és perfecte per a experiments en el camp de la informació quàntica i la criptografia quàntica, on es requereixen fotons individuals. Tanmateix, durant anys, aquesta emissió ha continuat sent un misteri.

Els investigadors de la TU Vienna ara ho han explicat: una interacció subtil de defectes atòmics únics en el material i la tensió mecànica són els responsables d'aquest efecte de llum quàntica. Les simulacions per ordinador mostren com els electrons són conduïts a llocs específics del material, on són capturats per un defecte, perden energia i emeten un fotó. La solució al trencaclosques de la llum quàntica s'ha publicat ara a Physical Review Letters.

Només tres àtoms de gruix

El diselenur de tungstè és un material bidimensional que forma capes extremadament fines. Aquestes capes tenen només tres capes atòmiques de gruix, amb àtoms de tungstè al mig, acoblats amb àtoms de seleni per sota i per sobre. "Si es subministra energia a la capa, per exemple aplicant una tensió elèctrica o irradiant-la amb llum d'una longitud d'ona adequada, comença a brillar", explica Lukas Linhart de l'Institut de Física Teòrica de la TU de Viena. "Això en si mateix no és estrany, molts materials ho fan. Tanmateix, quan es va analitzar en detall la llum emesa pel diseleniur de tungstè, a més de la llum normal es va detectar un tipus especial de llum amb propietats molt inusuals".

Aquesta llum quàntica de naturalesa especial consta de fotons de longituds d'ona específiques, i sempre s'emeten individualment. Mai passa que es detectin dos fotons de la mateixa longitud d'ona alhora. "Això ens diu que aquests fotons no es poden produir aleatòriament en el material, però que hi ha d'haver determinats punts a la mostra de diselenur de tungstè que produeixen molts d'aquests fotons, un darrere l'altre", explica el professor Florian Libisch, la investigació del qual se centra en dos -materials dimensionals.

Explicar aquest efecte requereix una comprensió detallada del comportament dels electrons del material a nivell físic quàntic. Els electrons del diselenur de tungstè poden ocupar diferents estats energètics. Si un electró passa d'un estat d'alta energia a un de menor energia, s'emet un fotó. Tanmateix, aquest salt a una energia més baixa no sempre està permès: l'electró ha d'adherir-se a determinades lleis: la conservació del moment i el moment angular.

A causa d'aquestes lleis de conservació, un electró en un estat quàntic d'alta energia ha de romandre allà, tret que certes imperfeccions del material permetin canviar els estats d'energia. "Una capa de diselenur de tungstè mai és perfecta. En alguns llocs, poden faltar un o més àtoms de seleni", diu Lukas Linhart. "Això també canvia l'energia dels estats d'electrons en aquesta regió".

A més, la capa de material no és un pla perfecte. Com una manta que s'arruga quan s'estén sobre un coixí, el diselenur de tungstè s'estén localment quan la capa de material està suspesa sobre petites estructures de suport. Aquestes tensions mecàniques també tenen un efecte sobre els estats d'energia electrònica.

"La interacció dels defectes del material i les soques locals és complicada. Tanmateix, ara hem aconseguit simular ambdós efectes en un ordinador", diu Lukas Linhart. "I resulta que només la combinació d'aquests efectes pot explicar els estranys efectes de llum".

En aquelles regions microscòpiques del material, on els defectes i les tensions superficials apareixen junts, els nivells d'energia dels electrons canvien d'un estat d'alta a una de baixa energia i emeten un fotó. Les lleis de la física quàntica no permeten que dos electrons estiguin exactament en el mateix estat alhora, i per tant, els electrons han de patir aquest procés un per un. Com a resultat, els fotons també s'emeten un a un.

Al mateix temps, la distorsió mecànica del material ajuda a acumular un gran nombre d'electrons a les proximitats del defecte, de manera que un altre electró està fàcilment disponible per intervenir després que l'últim hagi canviat d'estat i hagi emès un fotó.

Aquest resultat il·lustra que els materials ultrafins 2-D obren possibilitats completament noves per a la ciència dels materials.