Když je proud aplikován na tenkou vrstvu diselenidu wolframu, začne zářit velmi neobvyklým způsobem. Kromě běžného světla, které mohou vyzařovat jiné polovodičové materiály, produkuje diselenid wolframu také velmi zvláštní typ jasného kvantového světla, které se vytváří pouze ve specifických bodech materiálu. Skládá se ze série fotonů, které jsou vždy emitovány jeden po druhém – nikdy v párech nebo ve shlucích. Tento efekt proti shlukování je ideální pro experimenty v oblasti kvantové informace a kvantové kryptografie, kde jsou vyžadovány jednotlivé fotony. Po léta však tato emise zůstávala záhadou.

Vědci z TU Vienna to nyní vysvětlili: Za tento efekt kvantového světla je zodpovědná jemná interakce jednotlivých atomárních defektů v materiálu a mechanické napětí. Počítačové simulace ukazují, jak jsou elektrony hnány do konkrétních míst v materiálu, kde jsou zachyceny defektem, ztrácejí energii a emitují foton. Řešení kvantové světelné hádanky bylo nyní publikováno ve Physical Review Letters.

Pouze tři atomy tlusté

Diselenid wolframu je dvourozměrný materiál, který tvoří extrémně tenké vrstvy. Takové vrstvy jsou silné pouze tři atomové vrstvy, s atomy wolframu uprostřed, spojenými s atomy selenu pod a nahoře. „Pokud je vrstvě přivedena energie, například přivedením elektrického napětí nebo ozářením světlem vhodné vlnové délky, začne svítit,“ vysvětluje Lukas Linhart z Ústavu teoretické fyziky TU Vídeň. „To samo o sobě není neobvyklé, mnoho materiálů to dělá. Když však bylo světlo vyzařované diselenidem wolframu podrobně analyzováno, byl kromě běžného světla detekován i speciální typ světla s velmi neobvyklými vlastnostmi.

Toto kvantové světlo zvláštní přírody se skládá z fotonů specifických vlnových délek – a ty jsou vždy vyzařovány jednotlivě. Nikdy se nestane, že by byly současně detekovány dva fotony stejné vlnové délky. "To nám říká, že tyto fotony nemohou být v materiálu produkovány náhodně, ale že ve vzorku diselenidu wolframu musí být určité body, které produkují mnoho těchto fotonů, jeden po druhém," vysvětluje profesor Florian Libisch, jehož výzkum se zaměřuje na dva -rozměrové materiály.

Vysvětlení tohoto efektu vyžaduje podrobné pochopení chování elektronů v materiálu na kvantově fyzikální úrovni. Elektrony v diselenidu wolframu mohou zaujímat různé energetické stavy. Pokud se elektron změní ze stavu s vysokou energií do stavu s nižší energií, dojde k emisi fotonu. Tento skok na nižší energii však není vždy povolen: Elektron musí dodržovat určité zákony — zachování hybnosti a momentu hybnosti.

Kvůli těmto zákonům zachování tam elektron ve vysokoenergetickém kvantovém stavu musí zůstat – pokud určité nedokonalosti v materiálu neumožňují změnu energetických stavů. „Vrstva diselenidu wolframu není nikdy dokonalá. Na některých místech může chybět jeden nebo více atomů selenu,“ říká Lukas Linhart. "To také mění energii elektronových stavů v této oblasti."

Navíc vrstva materiálu není dokonalá rovina. Podobně jako přikrývka, která se při rozprostření přes polštář zvrásní, se diselenid wolframu lokálně natáhne, když je vrstva materiálu zavěšena na malých nosných strukturách. Tato mechanická napětí mají také vliv na elektronové energetické stavy.

„Vzájemné působení defektů materiálu a místních napětí je komplikované. Nyní se nám však podařilo oba efekty nasimulovat na počítači,“ říká Lukáš Linhart. "A ukázalo se, že pouze kombinace těchto efektů může vysvětlit podivné světelné efekty."

V těch mikroskopických oblastech materiálu, kde se defekty a povrchové deformace objevují společně, se energetické hladiny elektronů mění z vysoce na nízkoenergetický stav a emitují foton. Zákony kvantové fyziky nedovolují, aby byly dva elektrony ve stejném stavu ve stejnou dobu, a proto musí elektrony podstoupit tento proces jeden po druhém. V důsledku toho jsou fotony také emitovány jeden po druhém.

Mechanické zkreslení materiálu zároveň napomáhá akumulaci velkého množství elektronů v blízkosti defektu tak, že další elektron je snadno dostupný pro zásah poté, co poslední změní svůj stav a vyzáří foton.

Tento výsledek ukazuje, že ultratenké 2-D materiály otevírají zcela nové možnosti pro vědu o materiálech.