Kun virta johdetaan ohueen volframidiselenidikerrokseen, se alkaa hehkua erittäin epätavallisella tavalla. Normaalin valon lisäksi, jota muut puolijohdemateriaalit voivat säteillä, volframidiselenidi tuottaa myös hyvin erikoista kirkasta kvanttivaloa, jota syntyy vain tietyissä materiaalin kohdissa. Se koostuu sarjasta fotoneja, jotka säteilevät aina yksitellen – ei koskaan pareittain tai nippuina. Tämä niputuksen estovaikutus on täydellinen kvanttiinformaation ja kvanttisalauksen alan kokeisiin, joissa tarvitaan yksittäisiä fotoneja. Tämä päästö on kuitenkin pysynyt mysteerinä vuosien ajan.

Wienin yliopiston tutkijat ovat nyt selittäneet tämän: Yksittäisten atomivirheiden hienovarainen vuorovaikutus materiaalissa ja mekaaninen rasitus ovat vastuussa tästä kvanttivalovaikutuksesta. Tietokonesimulaatiot osoittavat, kuinka elektronit ajautuvat tiettyihin paikkoihin materiaalissa, missä ne vangitaan vialla, menettävät energiaa ja lähettävät fotonin. Ratkaisu kvanttivalopulmaan on nyt julkaistu Physical Review Lettersissä.

Vain kolme atomia paksu

Volframidiselenidi on kaksiulotteinen materiaali, joka muodostaa erittäin ohuita kerroksia. Tällaiset kerrokset ovat vain kolmen atomikerroksen paksuisia, ja niiden keskellä on volframiatomeja, jotka on kytketty seleeniatomeihin ala- ja yläpuolella. "Jos kerrokseen syötetään energiaa esimerkiksi sähköjännitteellä tai säteilyttämällä sitä sopivan aallonpituuden omaavalla valolla, se alkaa loistaa", selittää Lukas Linhart Wienin TU:n teoreettisen fysiikan instituutista. ”Tämä ei sinänsä ole epätavallista, monet materiaalit tekevät niin. Kuitenkin, kun volframidiselenidin säteilemää valoa analysoitiin yksityiskohtaisesti, havaittiin tavallisen valon lisäksi erityinen valo, jolla on hyvin epätavallisia ominaisuuksia.

Tämä erityinen luonnon kvanttivalo koostuu tietyn aallonpituuden omaavista fotoneista – ja ne säteilevät aina yksittäin. Ei koskaan tapahdu, että kaksi saman aallonpituuden fotonia havaitaan samanaikaisesti. "Tämä kertoo meille, että näitä fotoneja ei voida tuottaa satunnaisesti materiaalissa, vaan että volframidiselenidinäytteessä täytyy olla tiettyjä kohtia, jotka tuottavat monia näistä fotoneista peräkkäin", selittää professori Florian Libisch, jonka tutkimus keskittyy kahteen. -kokoiset materiaalit.

Tämän vaikutuksen selittäminen vaatii yksityiskohtaista ymmärrystä materiaalissa olevien elektronien käyttäytymisestä kvanttifysikaalisella tasolla. Volframidiselenidin elektronit voivat miehittää eri energiatiloja. Jos elektroni siirtyy korkean energian tilasta alhaisemman energian tilaan, fotoni emittoituu. Tämä hyppy alempaan energiaan ei kuitenkaan ole aina sallittua: elektronin on noudatettava tiettyjä lakeja - liikemäärän ja liikemäärän säilymistä.

Näiden säilymislakien vuoksi korkeaenergisessä kvanttitilassa olevan elektronin on pysyttävä siellä - elleivät tietyt materiaalin epätäydellisyydet salli energiatilojen muuttumista. "Volframidiselenidikerros ei ole koskaan täydellinen. Paikoin yksi tai useampi seleeniatomi saattaa puuttua”, Lukas Linhart sanoo. "Tämä muuttaa myös tämän alueen elektronitilojen energiaa."

Lisäksi materiaalikerros ei ole täydellinen taso. Kuten peitto, joka rypistyy tyynyn päälle levitettäessä, volframidiselenidi venyy paikallisesti, kun materiaalikerros ripustetaan pieniin tukirakenteisiin. Nämä mekaaniset jännitykset vaikuttavat myös elektroniikkaenergiatiloihin.

”Materiaalivikojen ja paikallisten jännitysten vuorovaikutus on monimutkaista. Nyt olemme kuitenkin onnistuneet simuloimaan molemmat efektit tietokoneella”, Lukas Linhart sanoo. "Ja käy ilmi, että vain näiden vaikutusten yhdistelmä voi selittää oudot valoefektit."

Niillä materiaalin mikroskooppisilla alueilla, joissa vikoja ja pintavenymiä esiintyy yhdessä, elektronien energiatasot muuttuvat korkean energian tilasta matalan energian tilasta ja emittoivat fotonin. Kvanttifysiikan lait eivät salli kahden elektronin olevan täsmälleen samassa tilassa samaan aikaan, ja siksi elektronien on läpäistävä tämä prosessi yksitellen. Tämän seurauksena fotonit säteilevät myös yksitellen.

Samalla materiaalin mekaaninen vääristymä auttaa keräämään suuren määrän elektroneja vian läheisyyteen niin, että toinen elektroni on helposti saatavilla astumaan sisään, kun viimeinen on muuttanut tilaansa ja lähettänyt fotonin.

Tämä tulos osoittaa, että ultraohuet 2-D-materiaalit avaavat täysin uusia mahdollisuuksia materiaalitieteelle.