Lorsqu’un courant est appliqué à une fine couche de diséléniure de tungstène, celle-ci commence à briller d’une manière très inhabituelle. En plus de la lumière ordinaire, que d’autres matériaux semi-conducteurs peuvent émettre, le diséléniure de tungstène produit également un type très spécial de lumière quantique brillante, créée uniquement à des points spécifiques du matériau. Il s’agit d’une série de photons qui sont toujours émis un par un, jamais par paires ni en paquets. Cet effet anti-groupage est parfait pour les expériences dans le domaine de l’information quantique et de la cryptographie quantique, où des photons uniques sont nécessaires. Cependant, pendant des années, cette émission est restée un mystère.

Des chercheurs de la TU Vienne l'ont expliqué : une interaction subtile entre des défauts atomiques uniques dans le matériau et les contraintes mécaniques est responsable de cet effet de lumière quantique. Les simulations informatiques montrent comment les électrons sont dirigés vers des endroits spécifiques du matériau, où ils sont capturés par un défaut, perdent de l'énergie et émettent un photon. La solution au casse-tête de la lumière quantique a été publiée dans Physical Review Letters.

Seulement trois atomes d'épaisseur

Le diséléniure de tungstène est un matériau bidimensionnel qui forme des couches extrêmement fines. Ces couches n’ont que trois couches atomiques d’épaisseur, avec des atomes de tungstène au milieu, couplés à des atomes de sélénium en dessous et au-dessus. "Si de l'énergie est fournie à la couche, par exemple en appliquant une tension électrique ou en l'irradiant avec une lumière d'une longueur d'onde appropriée, elle commence à briller", explique Lukas Linhart de l'Institut de physique théorique de la TU Vienne. « En soi, ce n’est pas inhabituel, c’est ce que font de nombreux matériaux. Cependant, lorsque la lumière émise par le diséléniure de tungstène a été analysée en détail, en plus de la lumière ordinaire, un type spécial de lumière aux propriétés très inhabituelles a été détecté.

Cette lumière quantique de nature particulière est constituée de photons de longueurs d’onde spécifiques et ils sont toujours émis individuellement. Il n’arrive jamais que deux photons de même longueur d’onde soient détectés en même temps. "Cela nous indique que ces photons ne peuvent pas être produits de manière aléatoire dans le matériau, mais qu'il doit y avoir certains points dans l'échantillon de diséléniure de tungstène qui produisent plusieurs de ces photons, les uns après les autres", explique le professeur Florian Libisch, dont les recherches portent sur deux -matériaux dimensionnels.

Expliquer cet effet nécessite une compréhension détaillée du comportement des électrons dans le matériau au niveau physique quantique. Les électrons du diséléniure de tungstène peuvent occuper différents états énergétiques. Si un électron passe d’un état de haute énergie à un état de plus faible énergie, un photon est émis. Cependant, ce saut vers une énergie inférieure n’est pas toujours autorisé : l’électron doit adhérer à certaines lois : la conservation de l’impulsion et du moment cinétique.

En raison de ces lois de conservation, un électron dans un état quantique de haute énergie doit y rester, à moins que certaines imperfections du matériau ne permettent de changer les états énergétiques. « Une couche de diséléniure de tungstène n’est jamais parfaite. À certains endroits, un ou plusieurs atomes de sélénium peuvent manquer », explique Lukas Linhart. "Cela modifie également l'énergie des états électroniques dans cette région."

De plus, la couche de matériau n’est pas un plan parfait. Comme une couverture qui se froisse lorsqu’elle est étalée sur un oreiller, le diséléniure de tungstène s’étire localement lorsque la couche de matériau est suspendue sur de petites structures de support. Ces contraintes mécaniques ont également un effet sur les états énergétiques électroniques.

« L’interaction entre les défauts des matériaux et les contraintes locales est compliquée. Cependant, nous avons désormais réussi à simuler les deux effets sur un ordinateur », explique Lukas Linhart. "Et il s'avère que seule la combinaison de ces effets peut expliquer les étranges effets de lumière."

Dans ces régions microscopiques du matériau, où les défauts et les déformations de surface apparaissent ensemble, les niveaux d'énergie des électrons passent d'un état d'énergie élevé à un état d'énergie faible et émettent un photon. Les lois de la physique quantique ne permettent pas à deux électrons d’être exactement dans le même état en même temps et, par conséquent, les électrons doivent subir ce processus un par un. En conséquence, les photons sont également émis un par un.

Dans le même temps, la distorsion mécanique du matériau contribue à accumuler un grand nombre d’électrons à proximité du défaut, de sorte qu’un autre électron soit facilement disponible pour intervenir après que le dernier ait changé d’état et émis un photon.

Ce résultat illustre que les matériaux 2D ultrafins ouvrent des possibilités complètement nouvelles pour la science des matériaux.