Cuando se aplica una corriente a una fina capa de diseleniuro de tungsteno, comienza a brillar de una manera muy inusual. Además de la luz normal, que pueden emitir otros materiales semiconductores, el diseleniuro de tungsteno también produce un tipo muy especial de luz cuántica brillante, que se crea sólo en puntos específicos del material. Consiste en una serie de fotones que siempre se emiten uno por uno, nunca en pares o en grupos. Este efecto anti-agrupación es perfecto para experimentos en el campo de la información cuántica y la criptografía cuántica, donde se requieren fotones individuales. Sin embargo, durante años, esta emisión sigue siendo un misterio.

Los investigadores de la TU Viena lo han explicado ahora: una interacción sutil de defectos atómicos individuales en el material y la tensión mecánica son responsables de este efecto de luz cuántica. Las simulaciones por computadora muestran cómo los electrones son conducidos a lugares específicos del material, donde son capturados por un defecto, pierden energía y emiten un fotón. La solución al rompecabezas de la luz cuántica se ha publicado ahora en Physical Review Letters.

Sólo tres átomos de espesor.

El diseleniuro de tungsteno es un material bidimensional que forma capas extremadamente delgadas. Estas capas tienen sólo tres capas atómicas de espesor, con átomos de tungsteno en el medio, acoplados a átomos de selenio debajo y arriba. "Si se suministra energía a la capa, por ejemplo aplicándole una tensión eléctrica o irradiándola con luz de una longitud de onda adecuada, ésta empieza a brillar", explica Lukas Linhart del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena. “Esto en sí no es inusual, muchos materiales hacen eso. Sin embargo, cuando se analizó en detalle la luz emitida por el diseleniuro de tungsteno, además de la luz ordinaria se detectó un tipo especial de luz con propiedades muy inusuales”.

Esta luz cuántica de naturaleza especial consta de fotones de longitudes de onda específicas y siempre se emiten individualmente. Nunca sucede que se detecten dos fotones de la misma longitud de onda al mismo tiempo. "Esto nos dice que estos fotones no pueden producirse aleatoriamente en el material, sino que debe haber ciertos puntos en la muestra de diseleniuro de tungsteno que produzcan muchos de estos fotones, uno tras otro", explica el profesor Florian Libisch, cuya investigación se centra en dos -materiales dimensionales.

Explicar este efecto requiere una comprensión detallada del comportamiento de los electrones en el material a nivel físico cuántico. Los electrones del diseleniuro de tungsteno pueden ocupar diferentes estados energéticos. Si un electrón pasa de un estado de alta energía a un estado de menor energía, se emite un fotón. Sin embargo, este salto a una energía más baja no siempre está permitido: el electrón tiene que cumplir ciertas leyes: la conservación del momento y del momento angular.

Debido a estas leyes de conservación, un electrón en un estado cuántico de alta energía debe permanecer allí, a menos que ciertas imperfecciones en el material permitan que los estados de energía cambien. “Una capa de diseleniuro de tungsteno nunca es perfecta. En algunos lugares pueden faltar uno o varios átomos de selenio”, afirma Lukas Linhart. "Esto también cambia la energía de los estados electrónicos en esta región".

Además, la capa de material no es un plano perfecto. Al igual que una manta que se arruga cuando se extiende sobre una almohada, el diseleniuro de tungsteno se estira localmente cuando la capa de material se suspende sobre pequeñas estructuras de soporte. Estas tensiones mecánicas también influyen en los estados de energía electrónicos.

“La interacción entre los defectos del material y las tensiones locales es complicada. Sin embargo, ahora hemos conseguido simular ambos efectos en un ordenador”, afirma Lukas Linhart. "Y resulta que sólo la combinación de estos efectos puede explicar los extraños efectos de la luz".

En esas regiones microscópicas del material, donde aparecen juntos defectos y tensiones superficiales, los niveles de energía de los electrones cambian de un estado de energía alto a uno bajo y emiten un fotón. Las leyes de la física cuántica no permiten que dos electrones se encuentren exactamente en el mismo estado al mismo tiempo y, por lo tanto, los electrones deben pasar por este proceso uno por uno. Como resultado, los fotones también se emiten uno por uno.

Al mismo tiempo, la distorsión mecánica del material ayuda a acumular una gran cantidad de electrones en las proximidades del defecto, de modo que otro electrón esté disponible para intervenir después de que el último haya cambiado de estado y haya emitido un fotón.

Este resultado ilustra que los materiales bidimensionales ultrafinos abren posibilidades completamente nuevas para la ciencia de los materiales.