هنگامی که جریانی به لایه نازکی از تنگستن دیزلنید اعمال می شود، به شکلی بسیار غیرعادی شروع به درخشش می کند. علاوه بر نور معمولی که سایر مواد نیمه هادی می توانند از خود ساطع کنند، تنگستن دیزلنید نیز نوع بسیار خاصی از نور کوانتومی درخشان تولید می کند که فقط در نقاط خاصی از ماده ایجاد می شود. از مجموعه‌ای از فوتون‌ها تشکیل شده است که همیشه یکی یکی ساطع می‌شوند – هرگز جفت یا دسته‌ای. این اثر ضد دسته‌بندی برای آزمایش‌هایی در زمینه اطلاعات کوانتومی و رمزنگاری کوانتومی، جایی که فوتون‌های منفرد مورد نیاز است، عالی است. با این حال، برای سال ها، این انتشار یک راز باقی مانده است.

محققان دانشگاه TU Vienna اکنون این را توضیح داده‌اند: یک برهمکنش ظریف از نقص‌های اتمی منفرد در ماده و کرنش مکانیکی مسئول این اثر نور کوانتومی است. شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نشان می‌دهند که چگونه الکترون‌ها به مکان‌های خاصی در ماده رانده می‌شوند، جایی که توسط یک نقص جذب می‌شوند، انرژی خود را از دست می‌دهند و یک فوتون ساطع می‌کنند. راه حل معمای نور کوانتومی اکنون در Physical Review Letters منتشر شده است.

فقط سه اتم ضخامت دارد

تنگستن دیزلنید یک ماده دو بعدی است که لایه های بسیار نازکی را تشکیل می دهد. چنین لایه‌هایی فقط سه لایه اتمی ضخامت دارند، با اتم‌های تنگستن در وسط، همراه با اتم‌های سلنیوم در پایین و بالا. لوکاس لینهارت از موسسه فیزیک نظری دانشگاه TU وین توضیح می دهد: «اگر انرژی به لایه تامین شود، برای مثال با اعمال ولتاژ الکتریکی یا تابش نور با طول موج مناسب، شروع به درخشش می کند. این به خودی خود غیرعادی نیست، بسیاری از مواد این کار را انجام می دهند. با این حال، زمانی که نور ساطع شده توسط دیزلنید تنگستن به طور دقیق مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت، علاوه بر نور معمولی، نوع خاصی از نور با خواص بسیار غیرعادی نیز شناسایی شد.

این نور کوانتومی طبیعت خاص از فوتون‌هایی با طول‌موج‌های خاص تشکیل شده است - و آنها همیشه به صورت جداگانه منتشر می‌شوند. هرگز اتفاق نمی افتد که دو فوتون با طول موج یکسان در یک زمان شناسایی شوند. پروفسور فلوریان لیبیش که تحقیقاتش بر روی دو مورد تمرکز دارد، توضیح می دهد: «این به ما می گوید که این فوتون ها نمی توانند به طور تصادفی در ماده تولید شوند، اما باید نقاط خاصی در نمونه تنگستن دیزلنید وجود داشته باشد که بسیاری از این فوتون ها را یکی پس از دیگری تولید می کند. - مواد بعدی

توضیح این اثر مستلزم درک دقیق رفتار الکترون ها در ماده در سطح فیزیکی کوانتومی است. الکترون‌های موجود در تنگستن دیزلنید می‌توانند حالت‌های انرژی متفاوتی را اشغال کنند. اگر یک الکترون از حالت پرانرژی به حالت کم انرژی تبدیل شود، فوتون ساطع می شود. با این حال، این جهش به سمت انرژی کمتر همیشه مجاز نیست: الکترون باید به قوانین خاصی پایبند باشد - بقای تکانه و تکانه زاویه ای.

با توجه به این قوانین بقا، یک الکترون در حالت کوانتومی پرانرژی باید در آنجا باقی بماند – مگر اینکه نقص خاصی در ماده اجازه دهد که حالات انرژی تغییر کنند. یک لایه تنگستن دیزلنید هرگز کامل نیست. لوکاس لینهارت می‌گوید: «در برخی مکان‌ها، ممکن است یک یا چند اتم سلنیوم وجود نداشته باشد. این همچنین انرژی حالات الکترونی در این منطقه را تغییر می دهد.

علاوه بر این، لایه مواد یک صفحه کامل نیست. مانند پتویی که وقتی روی بالش پهن می‌شود چروک می‌شود، تنگستن دیزلنید زمانی که لایه ماده روی ساختارهای حمایتی کوچک معلق می‌شود، به صورت موضعی کشیده می‌شود. این تنش های مکانیکی نیز بر حالات انرژی الکترونیکی تأثیر می گذارد.

"برهم کنش عیوب مواد و کرنش های موضعی پیچیده است. با این حال، ما اکنون در شبیه سازی هر دو اثر بر روی یک کامپیوتر موفق شده ایم. و به نظر می رسد که تنها ترکیبی از این جلوه ها می تواند جلوه های نوری عجیب را توضیح دهد.

در آن نواحی میکروسکوپی از مواد، که نقص‌ها و کرنش‌های سطحی با هم ظاهر می‌شوند، سطح انرژی الکترون‌ها از حالت انرژی بالا به حالت کم تغییر می‌کند و یک فوتون ساطع می‌کند. قوانین فیزیک کوانتومی اجازه نمی دهد که دو الکترون در یک زمان دقیقاً در یک حالت قرار گیرند و بنابراین، الکترون ها باید یکی یکی این فرآیند را طی کنند. در نتیجه فوتون ها نیز یکی یکی ساطع می شوند.

در عین حال، اعوجاج مکانیکی ماده به انباشته شدن تعداد زیادی الکترون در مجاورت نقص کمک می‌کند تا الکترون دیگری به آسانی در دسترس باشد تا بعد از تغییر حالت آخرین الکترون و گسیل یک فوتون، وارد آن شود.

این نتیجه نشان می‌دهد که مواد دوبعدی فوق نازک فرصت‌های کاملا جدیدی را برای علم مواد ایجاد می‌کنند.