Pan roddir cerrynt ar haen denau o diselenide twngsten, mae'n dechrau tywynnu mewn modd hynod anarferol. Yn ogystal â golau cyffredin, y gall deunyddiau lled-ddargludyddion eraill eu hallyrru, mae diselenide twngsten hefyd yn cynhyrchu math arbennig iawn o olau cwantwm llachar, sy'n cael ei greu ar bwyntiau penodol o'r deunydd yn unig. Mae'n cynnwys cyfres o ffotonau sydd bob amser yn cael eu hallyrru fesul un - byth mewn parau nac mewn sypiau. Mae'r effaith gwrth-bwnsio hon yn berffaith ar gyfer arbrofion ym maes gwybodaeth cwantwm a cryptograffeg cwantwm, lle mae angen ffotonau sengl. Fodd bynnag, ers blynyddoedd, mae'r allyriad hwn wedi parhau'n ddirgelwch.

Mae ymchwilwyr yn TU Fienna bellach wedi esbonio hyn: Mae rhyngweithio cynnil o ddiffygion atomig sengl yn y deunydd a straen mecanyddol yn gyfrifol am yr effaith golau cwantwm hwn. Mae efelychiadau cyfrifiadurol yn dangos sut mae'r electronau'n cael eu gyrru i leoedd penodol yn y defnydd, lle maen nhw'n cael eu dal gan ddiffyg, yn colli egni ac yn allyrru ffoton. Mae'r ateb i'r pos golau cwantwm bellach wedi'i gyhoeddi yn Physical Review Letters.

Dim ond tri atom o drwch

Mae diselenide twngsten yn ddeunydd dau ddimensiwn sy'n ffurfio haenau tenau iawn. Dim ond tair haen atomig o drwch yw haenau o'r fath, gydag atomau twngsten yn y canol, ynghyd ag atomau seleniwm islaw ac uwch. “Os yw egni’n cael ei gyflenwi i’r haen, er enghraifft trwy gymhwyso foltedd trydanol neu ei arbelydru â golau o donfedd addas, mae’n dechrau disgleirio,” eglura Lukas Linhart o Sefydliad Ffiseg Damcaniaethol y TU Fienna. “Nid yw hyn ynddo’i hun yn anarferol, mae llawer o ddeunyddiau yn gwneud hynny. Fodd bynnag, pan ddadansoddwyd y golau a allyrrir gan twngsten diselenide yn fanwl, yn ogystal â golau cyffredin, canfuwyd math arbennig o olau gyda phriodweddau anarferol iawn.”

Mae'r golau cwantwm natur arbennig hwn yn cynnwys ffotonau o donfeddi penodol - ac maent bob amser yn cael eu hallyrru'n unigol. Nid yw byth yn digwydd bod dau ffoton o'r un donfedd yn cael eu canfod ar yr un pryd. “Mae hyn yn dweud wrthym na ellir cynhyrchu’r ffotonau hyn ar hap yn y deunydd, ond bod yn rhaid bod rhai pwyntiau yn y sampl diselenide twngsten sy’n cynhyrchu llawer o’r ffotonau hyn, un ar ôl y llall,” eglura’r Athro Florian Libisch, y mae ei hymchwil yn canolbwyntio ar ddau. - deunyddiau dimensiwn.

Mae esbonio'r effaith hon yn gofyn am ddealltwriaeth fanwl o ymddygiad yr electronau yn y defnydd ar lefel ffisegol cwantwm. Gall electronau mewn diselenid twngsten feddiannu gwahanol gyflyrau egni. Os yw electron yn newid o gyflwr egni uchel i gyflwr egni is, mae ffoton yn cael ei allyrru. Fodd bynnag, ni chaniateir y naid hon i egni is bob amser: Mae'n rhaid i'r electron gadw at rai deddfau - cadwraeth momentwm a momentwm onglog.

Oherwydd y deddfau cadwraeth hyn, rhaid i electron mewn cyflwr cwantwm egni uchel aros yno - oni bai bod rhai diffygion yn y deunydd yn caniatáu i'r cyflyrau egni newid. “Nid yw haen diselenide twngsten byth yn berffaith. Mewn rhai mannau, gall un neu fwy o atomau seleniwm fod ar goll,” meddai Lukas Linhart. “Mae hyn hefyd yn newid egni’r cyflyrau electronau yn y rhanbarth hwn.”

Ar ben hynny, nid yw'r haen ddeunydd yn awyren berffaith. Fel blanced sy'n wrinkles wrth wasgaru dros gobennydd, mae diselenide twngsten yn ymestyn yn lleol pan fydd yr haen ddeunydd yn cael ei hongian ar strwythurau cynnal bach. Mae'r pwysau mecanyddol hyn hefyd yn cael effaith ar y cyflyrau ynni electronig.

“Mae'r rhyngweithio rhwng diffygion materol a straen lleol yn gymhleth. Fodd bynnag, rydym bellach wedi llwyddo i efelychu’r ddwy effaith ar gyfrifiadur,” meddai Lukas Linhart. “Ac mae’n troi allan mai dim ond y cyfuniad o’r effeithiau hyn all esbonio’r effeithiau golau rhyfedd.”

Yn y rhanbarthau microsgopig hynny o'r deunydd, lle mae diffygion a straeniau arwyneb yn ymddangos gyda'i gilydd, mae lefelau egni'r electronau'n newid o gyflwr egni uchel i gyflwr egni isel ac yn allyrru ffoton. Nid yw deddfau ffiseg cwantwm yn caniatáu i ddau electron fod yn union yr un cyflwr ar yr un pryd, ac felly, rhaid i'r electronau fynd trwy'r broses hon fesul un. O ganlyniad, mae'r ffotonau'n cael eu hallyrru fesul un hefyd.

Ar yr un pryd, mae ystumiad mecanyddol y deunydd yn helpu i gronni nifer fawr o electronau yng nghyffiniau'r diffyg fel bod electron arall ar gael yn hawdd i gamu i mewn ar ôl i'r un olaf newid ei gyflwr ac allyrru ffoton.

Mae'r canlyniad hwn yn dangos bod deunyddiau 2-D hynod denau yn agor posibiliadau cwbl newydd ar gyfer gwyddor deunyddiau.