Όταν εφαρμόζεται ρεύμα σε ένα λεπτό στρώμα δισελενιδίου βολφραμίου, αρχίζει να λάμπει με έναν εξαιρετικά ασυνήθιστο τρόπο. Εκτός από το συνηθισμένο φως, το οποίο μπορούν να εκπέμψουν άλλα υλικά ημιαγωγών, το δισελενίδιο του βολφραμίου παράγει επίσης έναν πολύ ειδικό τύπο λαμπερού κβαντικού φωτός, το οποίο δημιουργείται μόνο σε συγκεκριμένα σημεία του υλικού. Αποτελείται από μια σειρά φωτονίων που εκπέμπονται πάντα ένα προς ένα - ποτέ σε ζεύγη ή σε δέσμες. Αυτό το φαινόμενο κατά της συσσώρευσης είναι τέλειο για πειράματα στον τομέα των κβαντικών πληροφοριών και της κβαντικής κρυπτογραφίας, όπου απαιτούνται μεμονωμένα φωτόνια. Ωστόσο, εδώ και χρόνια, αυτή η εκπομπή παρέμενε μυστήριο.

Ερευνητές στο TU Vienna το εξήγησαν τώρα αυτό: Μια λεπτή αλληλεπίδραση μεμονωμένων ατομικών ελαττωμάτων στο υλικό και μηχανική καταπόνηση είναι υπεύθυνες για αυτό το φαινόμενο κβαντικού φωτός. Οι προσομοιώσεις σε υπολογιστή δείχνουν πώς τα ηλεκτρόνια οδηγούνται σε συγκεκριμένα σημεία του υλικού, όπου συλλαμβάνονται από ένα ελάττωμα, χάνουν ενέργεια και εκπέμπουν ένα φωτόνιο. Η λύση στο παζλ του κβαντικού φωτός δημοσιεύτηκε τώρα στο Physical Review Letters.

Πάχος μόνο τριών ατόμων

Το δισελενίδιο του βολφραμίου είναι ένα δισδιάστατο υλικό που σχηματίζει εξαιρετικά λεπτά στρώματα. Τέτοια στρώματα έχουν πάχος μόνο τριών ατομικών στρωμάτων, με άτομα βολφραμίου στη μέση, συζευγμένα με άτομα σεληνίου κάτω και πάνω. «Αν παρέχεται ενέργεια στο στρώμα, για παράδειγμα εφαρμόζοντας ηλεκτρική τάση ή ακτινοβολώντας το με φως κατάλληλου μήκους κύματος, αυτό αρχίζει να λάμπει», εξηγεί ο Λούκας Λίνχαρτ από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στο TU Βιέννης. «Αυτό από μόνο του δεν είναι ασυνήθιστο, πολλά υλικά το κάνουν αυτό. Ωστόσο, όταν το φως που εκπέμπεται από το δισελενίδιο του βολφραμίου αναλύθηκε λεπτομερώς, εκτός από το συνηθισμένο φως, ανιχνεύθηκε ένας ειδικός τύπος φωτός με πολύ ασυνήθιστες ιδιότητες.»

Αυτό το κβαντικό φως ειδικής φύσης αποτελείται από φωτόνια συγκεκριμένων μηκών κύματος—και εκπέμπονται πάντα μεμονωμένα. Δεν συμβαίνει ποτέ να ανιχνεύονται ταυτόχρονα δύο φωτόνια του ίδιου μήκους κύματος. «Αυτό μας λέει ότι αυτά τα φωτόνια δεν μπορούν να παραχθούν τυχαία στο υλικό, αλλά ότι πρέπει να υπάρχουν ορισμένα σημεία στο δείγμα δισελενιδίου βολφραμίου που παράγουν πολλά από αυτά τα φωτόνια, το ένα μετά το άλλο», εξηγεί ο καθηγητής Florian Libisch, του οποίου η έρευνα επικεντρώνεται σε δύο -διαστατικά υλικά.

Η εξήγηση αυτού του φαινομένου απαιτεί λεπτομερή κατανόηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων στο υλικό σε κβαντικό φυσικό επίπεδο. Τα ηλεκτρόνια στο δισελενίδιο του βολφραμίου μπορούν να καταλαμβάνουν διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις. Εάν ένα ηλεκτρόνιο αλλάξει από κατάσταση υψηλής ενέργειας σε κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, εκπέμπεται ένα φωτόνιο. Ωστόσο, αυτό το άλμα σε χαμηλότερη ενέργεια δεν επιτρέπεται πάντα: Το ηλεκτρόνιο πρέπει να τηρεί ορισμένους νόμους—τη διατήρηση της ορμής και της γωνιακής ορμής.

Λόγω αυτών των νόμων διατήρησης, ένα ηλεκτρόνιο σε κβαντική κατάσταση υψηλής ενέργειας πρέπει να παραμείνει εκεί—εκτός εάν ορισμένες ατέλειες στο υλικό επιτρέπουν την αλλαγή των ενεργειακών καταστάσεων. «Ένα στρώμα δισελενιδίου βολφραμίου δεν είναι ποτέ τέλειο. Σε ορισμένα μέρη, ένα ή περισσότερα άτομα σεληνίου μπορεί να λείπουν», λέει ο Λούκας Λίνχαρτ. «Αυτό αλλάζει επίσης την ενέργεια των ηλεκτρονικών καταστάσεων σε αυτήν την περιοχή».

Επιπλέον, το στρώμα υλικού δεν είναι τέλειο επίπεδο. Όπως μια κουβέρτα που ζαρώνει όταν απλώνεται σε ένα μαξιλάρι, το δισεληνίδιο του βολφραμίου τεντώνεται τοπικά όταν το στρώμα υλικού αιωρείται σε μικρές δομές στήριξης. Αυτές οι μηχανικές τάσεις έχουν επίσης επίδραση στις ηλεκτρονικές ενεργειακές καταστάσεις.

«Η αλληλεπίδραση υλικών ελαττωμάτων και τοπικών καταπονήσεων είναι περίπλοκη. Ωστόσο, τώρα καταφέραμε να προσομοιώσουμε και τα δύο εφέ σε έναν υπολογιστή», λέει ο Λούκας Λίνχαρτ. «Και αποδεικνύεται ότι μόνο ο συνδυασμός αυτών των εφέ μπορεί να εξηγήσει τα παράξενα εφέ φωτός».

Σε εκείνες τις μικροσκοπικές περιοχές του υλικού, όπου εμφανίζονται ελαττώματα και επιφανειακές παραμορφώσεις μαζί, τα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων αλλάζουν από κατάσταση υψηλής σε χαμηλής ενέργειας και εκπέμπουν ένα φωτόνιο. Οι νόμοι της κβαντικής φυσικής δεν επιτρέπουν σε δύο ηλεκτρόνια να βρίσκονται ακριβώς στην ίδια κατάσταση την ίδια στιγμή, και ως εκ τούτου, τα ηλεκτρόνια πρέπει να υποστούν αυτή τη διαδικασία ένα προς ένα. Ως αποτέλεσμα, τα φωτόνια εκπέμπονται ένα προς ένα επίσης.

Ταυτόχρονα, η μηχανική παραμόρφωση του υλικού βοηθά στη συσσώρευση μεγάλου αριθμού ηλεκτρονίων κοντά στο ελάττωμα, έτσι ώστε ένα άλλο ηλεκτρόνιο να είναι άμεσα διαθέσιμο για να εισέλθει αφού το τελευταίο αλλάξει κατάσταση και εκπέμψει ένα φωτόνιο.

Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι τα εξαιρετικά λεπτά 2-D υλικά ανοίγουν εντελώς νέες δυνατότητες για την επιστήμη των υλικών.