Kiam fluo estas aplikata al maldika tavolo de volframa diselenido, ĝi komencas brili en tre nekutima modo. Krom ordinara lumo, kiun aliaj duonkonduktaĵoj povas elsendi, volframa diselenido ankaŭ produktas tre specialan specon de hela kvantuma lumo, kiu estas kreita nur ĉe specifaj punktoj de la materialo. Ĝi konsistas el serio de fotonoj kiuj ĉiam estas elsenditaj unu post la alia—neniam duope aŭ en faskoj. Ĉi tiu kontraŭ-buĉa efiko estas perfekta por eksperimentoj en la kampo de kvantuma informo kaj kvantuma kriptografio, kie unuopaj fotonoj estas postulataj. Tamen, dum jaroj, ĉi tiu emisio restis mistero.

Esploristoj ĉe TU Vieno nun klarigis ĉi tion: Subtila interago de ununuraj atomaj difektoj en la materialo kaj mekanika streĉiĝo respondecas pri ĉi tiu kvantuma lumefiko. Komputilaj simuladoj montras kiel la elektronoj estas movitaj al specifaj lokoj en la materialo, kie ili estas kaptitaj per difekto, perdas energion kaj elsendas fotonon. La solvo al la kvantuma lumpuzlo nun estis publikigita en Physical Review Letters.

Nur tri atomoj dikaj

Volframdiselenido estas dudimensia materialo kiu formas ekstreme maldikajn tavolojn. Tiaj tavoloj estas nur tri atomtavoloj dikaj, kun volframaj atomoj en la mezo, kunligitaj al seleniaj atomoj malsupre kaj supre. "Se energio estas liverita al la tavolo, ekzemple per aplikado de elektra tensio aŭ surradiante ĝin per lumo de taŭga ondolongo, ĝi komencas brili," klarigas Lukas Linhart de la Instituto de Teoria Fiziko ĉe la TU Vieno. “Ĉi tio en si mem ne estas nekutima, multaj materialoj faras tion. Tamen, kiam la lumo elsendita de volframa diselenido estis detale analizita, krom ordinara lumo estis detektita speciala speco de lumo kun tre nekutimaj trajtoj."

Ĉi tiu speciala natura kvantuma lumo konsistas el fotonoj de specifaj ondolongoj - kaj ili ĉiam estas elsenditaj individue. Neniam okazas, ke du fotonoj de la sama ondolongo estas detektitaj samtempe. "Ĉi tio diras al ni, ke ĉi tiuj fotonoj ne povas esti produktitaj hazarde en la materialo, sed ke devas esti certaj punktoj en la volframa diselenida specimeno, kiuj produktas multajn el ĉi tiuj fotonoj, unu post la alia," klarigas profesoro Florian Libisch, kies esplorado fokusiĝas sur du. -dimensiaj materialoj.

Klarigi ĉi tiun efikon postulas detalan komprenon de la konduto de la elektronoj en la materialo sur kvantuma fizika nivelo. Elektronoj en volframdiselenido povas okupi malsamajn energistatojn. Se elektrono ŝanĝiĝas de stato de alta energio al stato de pli malalta energio, fotono estas elsendita. Tamen, ĉi tiu salto al pli malalta energio ne estas ĉiam permesita: La elektrono devas aliĝi al certaj leĝoj - la konservado de movokvanto kaj angula movokvanto.

Pro ĉi tiuj konservaj leĝoj, elektrono en alt-energia kvantuma stato devas resti tie - krom se certaj neperfektaĵoj en la materialo permesas al la energistatoj ŝanĝiĝi. “Tungsten-diselenida tavolo neniam estas perfekta. En kelkaj lokoj, unu aŭ pluraj seleniaj atomoj eble mankas,” diras Lukas Linhart. "Ĉi tio ankaŭ ŝanĝas la energion de la elektronaj statoj en ĉi tiu regiono."

Krome, la materiala tavolo ne estas perfekta ebeno. Kiel kovrilo, kiu sulkiĝas sur kuseno, volframa diselenido etendiĝas loke kiam la materiala tavolo estas suspendita sur malgrandaj subtenaj strukturoj. Tiuj mekanikaj stresoj ankaŭ havas efikon al la elektronikaj energistatoj.

"La interago de materialaj difektoj kaj lokaj streĉoj estas komplika. Tamen ni nun sukcesis simuli ambaŭ efikojn sur komputilo,” diras Lukas Linhart. "Kaj montriĝas, ke nur la kombinaĵo de ĉi tiuj efikoj povas klarigi la strangajn lumajn efikojn."

Ĉe tiuj mikroskopaj regionoj de la materialo, kie difektoj kaj surfacaj streĉoj aperas kune, la energiniveloj de la elektronoj ŝanĝiĝas de alta al malalta energia stato kaj elsendas fotonon. La leĝoj de kvantuma fiziko ne permesas al du elektronoj esti en precize la sama stato samtempe, kaj tial, la elektronoj devas sperti ĉi tiun procezon unu post la alia. Kiel rezulto, la fotonoj estas elsenditaj unu post unu, ankaŭ.

Samtempe, la mekanika distordo de la materialo helpas amasigi grandan nombron da elektronoj en la najbareco de la difekto tiel ke alia elektrono estas facile havebla por interveni post kiam la lasta ŝanĝis sian staton kaj elsendis fotonon.

Ĉi tiu rezulto ilustras, ke ultramaldikaj 2-D materialoj malfermas tute novajn eblecojn por materiala scienco.