Når en strøm påføres et tyndt lag wolframdiselenid, begynder det at lyse på en meget usædvanlig måde. Udover almindeligt lys, som andre halvledermaterialer kan udsende, producerer wolframdiselenid også en helt speciel type skarpt kvantelys, som kun skabes på bestemte punkter af materialet. Den består af en række fotoner, der altid udsendes én efter én – aldrig i par eller i bundter. Denne anti-bundningseffekt er perfekt til eksperimenter inden for kvanteinformation og kvantekryptografi, hvor enkelte fotoner er påkrævet. Men i årevis har denne emission forblevet et mysterium.

Forskere ved TU Wien har nu forklaret dette: En subtil vekselvirkning af enkelte atomare defekter i materialet og mekaniske belastninger er ansvarlige for denne kvantelyseffekt. Computersimuleringer viser, hvordan elektronerne drives til bestemte steder i materialet, hvor de fanges af en defekt, mister energi og udsender en foton. Løsningen på kvantelyspuslespillet er nu blevet offentliggjort i Physical Review Letters.

Kun tre atomer tyk

Wolframdiselenid er et todimensionelt materiale, der danner ekstremt tynde lag. Sådanne lag er kun tre atomlag tykke, med wolframatomer i midten, koblet til selenatomer under og over. "Hvis energi tilføres laget, for eksempel ved at påføre en elektrisk spænding eller ved at bestråle det med lys af en passende bølgelængde, begynder det at skinne," forklarer Lukas Linhart fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien. ”Det er i sig selv ikke usædvanligt, mange materialer gør det. Men da lyset udsendt af wolframdiselenid blev analyseret i detaljer, blev der ud over almindeligt lys påvist en speciel type lys med meget usædvanlige egenskaber."

Dette specielle naturkvantelys består af fotoner med specifikke bølgelængder - og de udsendes altid individuelt. Det sker aldrig, at to fotoner af samme bølgelængde detekteres på samme tid. "Dette fortæller os, at disse fotoner ikke kan produceres tilfældigt i materialet, men at der skal være visse punkter i wolframdiselenidprøven, der producerer mange af disse fotoner, den ene efter den anden," forklarer professor Florian Libisch, hvis forskning fokuserer på to -dimensionelle materialer.

Forklaring af denne effekt kræver detaljeret forståelse af elektronernes adfærd i materialet på et kvantefysisk niveau. Elektroner i wolframdiselenid kan optage forskellige energitilstande. Hvis en elektron skifter fra en tilstand med høj energi til en tilstand med lavere energi, udsendes en foton. Dette spring til en lavere energi er dog ikke altid tilladt: Elektronen skal overholde visse love - bevarelsen af ​​momentum og vinkelmomentum.

På grund af disse bevarelseslove skal en elektron i en højenergikvantetilstand forblive der - medmindre visse ufuldkommenheder i materialet tillader energitilstandene at ændre sig. "Et wolframdiselenidlag er aldrig perfekt. Nogle steder kan der mangle et eller flere selenatomer,” siger Lukas Linhart. "Dette ændrer også energien i elektrontilstandene i denne region."

Desuden er materialelaget ikke et perfekt plan. Som et tæppe, der rynker, når det spredes over en pude, strækker wolframdiselenid sig lokalt, når materialelaget er ophængt på små støttestrukturer. Disse mekaniske spændinger har også indflydelse på de elektroniske energitilstande.

”Samspillet mellem materialefejl og lokale belastninger er kompliceret. Men det er nu lykkedes at simulere begge effekter på en computer,” siger Lukas Linhart. "Og det viser sig, at kun kombinationen af ​​disse effekter kan forklare de mærkelige lyseffekter."

I de mikroskopiske områder af materialet, hvor defekter og overfladespændinger optræder sammen, skifter elektronernes energiniveauer fra en høj til en lav energitilstand og udsender en foton. Kvantefysikkens love tillader ikke, at to elektroner er i nøjagtig samme tilstand på samme tid, og derfor skal elektronerne gennemgå denne proces én efter én. Som et resultat udsendes fotonerne også én efter én.

Samtidig er den mekaniske forvrængning af materialet med til at akkumulere et stort antal elektroner i nærheden af ​​defekten, så en anden elektron er let tilgængelig at træde til, efter at den sidste har ændret tilstand og udsendt en foton.

Dette resultat illustrerer, at ultratynde 2-D materialer åbner helt nye muligheder for materialevidenskab.