Kui õhukesele volframdiseleniidikihile rakendatakse voolu, hakkab see väga ebatavaliselt hõõguma. Lisaks tavalisele valgusele, mida teised pooljuhtmaterjalid võivad kiirata, toodab volframdiseleniid ka väga erilist tüüpi eredat kvantvalgust, mis tekib ainult materjali kindlates punktides. See koosneb footonite seeriast, mida kiirgatakse alati ükshaaval – mitte kunagi paarikaupa ega kimpudena. See kokkupanemise vastane efekt sobib suurepäraselt katseteks kvantinformatsiooni ja kvantkrüptograafia valdkonnas, kus on vaja üksikuid footoneid. Kuid aastaid on see heide jäänud saladuseks.

Viini TU teadlased on nüüd seda selgitanud: selle kvantvalguse efekti põhjuseks on materjali üksikute aatomidefektide ja mehaanilise pinge peen koostoime. Arvutisimulatsioonid näitavad, kuidas elektronid juhitakse materjalis kindlatesse kohtadesse, kus need kinni jäävad defekti, kaotavad energiat ja kiirgavad footoni. Kvantvalguse mõistatuse lahendus on nüüd avaldatud ajakirjas Physical Review Letters.

Ainult kolme aatomi paksus

Volframdiseleniid on kahemõõtmeline materjal, mis moodustab üliõhukesed kihid. Sellised kihid on vaid kolme aatomikihi paksused, mille keskel on volframiaatomid, mis on seotud seleeniaatomitega allpool ja ülal. "Kui kihti antakse energiat, näiteks rakendades elektrilist pinget või kiiritades seda sobiva lainepikkusega valgusega, hakkab see särama," selgitab Lukas Linhart TLÜ Viini Teoreetilise Füüsika Instituudist. "See pole iseenesest ebatavaline, paljud materjalid teevad seda. Kui aga volframdiseleniidi kiirgavat valgust üksikasjalikult analüüsiti, avastati lisaks tavalisele valgusele ka väga ebatavaliste omadustega valgustüüp.

See eriline kvantvalgus koosneb kindla lainepikkusega footonitest ja neid kiirgatakse alati eraldi. Kunagi ei juhtu, et korraga tuvastatakse kaks sama lainepikkusega footonit. "See ütleb meile, et neid footoneid ei saa materjalis juhuslikult toota, vaid et volframdiseleniidi proovis peavad olema teatud punktid, mis toodavad üksteise järel paljusid neid footoneid," selgitab professor Florian Libisch, kelle uurimistöö keskendub kahele. - mõõtmetega materjalid.

Selle efekti selgitamine nõuab materjalis olevate elektronide käitumise üksikasjalikku mõistmist kvantfüüsikalisel tasandil. Volframdiseleniidis olevad elektronid võivad hõivata erinevaid energiaolekuid. Kui elektron läheb kõrge energiaga olekust madalama energiaga olekusse, kiirgub footon. Kuid see hüpe madalamale energiale ei ole alati lubatud: elektron peab järgima teatud seadusi - impulsi ja nurkimpulsi säilimist.

Nende jäävusseaduste tõttu peab suure energiaga kvantseisundis elektron sinna jääma – välja arvatud juhul, kui materjali teatud ebatäiuslikkused võimaldavad energia olekuid muuta. "Volframdiseleniidi kiht pole kunagi täiuslik. Kohati võib puududa üks või mitu seleeniaatomit,” ütleb Lukas Linhart. "See muudab ka selle piirkonna elektronide olekute energiat."

Pealegi pole materjalikiht täiuslik tasapind. Nagu tekk, mis kortsub padja peale laotades, venib volframdiseleniid lokaalselt, kui materjalikiht on riputatud väikestele tugistruktuuridele. Need mehaanilised pinged mõjutavad ka elektroonikaenergia olekuid.

“Materjalide defektide ja lokaalsete pingete koostoime on keeruline. Nüüd on meil aga õnnestunud mõlemad efektid arvutis simuleerida,” räägib Lukas Linhart. "Ja selgub, et ainult nende efektide kombinatsioon võib seletada kummalisi valgusefekte."

Nendes materjali mikroskoopilistes piirkondades, kus defektid ja pinna deformatsioonid ilmnevad koos, muutuvad elektronide energiatasemed kõrgest madalast energiast ja kiirgavad footoni. Kvantfüüsika seadused ei luba kahel elektronil olla samal ajal täpselt samas olekus ja seetõttu peavad elektronid selle protsessi ükshaaval läbima. Selle tulemusena kiirguvad footonid ka ükshaaval.

Samas aitab materjali mehaaniline moonutus defekti lähedusse akumuleerida suure hulga elektrone, nii et pärast seda, kui viimane on oma olekut muutnud ja footoni kiirganud, on teine ​​elektron hõlpsasti kättesaadav.

See tulemus näitab, et üliõhukesed 2-D materjalid avavad materjaliteadusele täiesti uusi võimalusi.