Kada se struja primijeni na tanki sloj volfram diselenida, on počinje svijetliti na vrlo neobičan način. Osim obične svjetlosti, koju drugi poluvodički materijali mogu emitirati, volframov diselenid također proizvodi vrlo posebnu vrstu svijetle kvantne svjetlosti, koja se stvara samo na određenim točkama materijala. Sastoji se od niza fotona koji se uvijek emitiraju jedan po jedan—nikada u parovima ili u skupinama. Ovaj anti-bunching efekt je savršen za eksperimente u polju kvantne informacije i kvantne kriptografije, gdje su potrebni pojedinačni fotoni. Međutim, godinama je ta emisija ostala misterij.

Istraživači s TU Vienna sada su ovo objasnili: suptilna interakcija pojedinačnih atomskih defekata u materijalu i mehaničko naprezanje odgovorni su za ovaj kvantni svjetlosni učinak. Računalne simulacije pokazuju kako se elektroni dovode do određenih mjesta u materijalu, gdje ih zarobljava defekt, gube energiju i emitiraju foton. Rješenje zagonetke kvantne svjetlosti sada je objavljeno u Physical Review Letters.

Debljina samo tri atoma

Volfram diselenid je dvodimenzionalni materijal koji stvara izuzetno tanke slojeve. Takvi su slojevi debeli samo tri atomska sloja, s atomima volframa u sredini, spojenim s atomima selena ispod i iznad. "Ako se sloju dovede energija, na primjer primjenom električnog napona ili ozračivanjem svjetlom odgovarajuće valne duljine, on počinje sjati", objašnjava Lukas Linhart s Instituta za teorijsku fiziku na TU u Beču. “Ovo samo po sebi nije neobično, mnogi materijali to čine. Međutim, kada je svjetlost koju emitira volfram diselenid detaljno analizirana, uz običnu svjetlost detektirana je posebna vrsta svjetlosti s vrlo neobičnim svojstvima.”

Ovo kvantno svjetlo posebne prirode sastoji se od fotona određenih valnih duljina—i uvijek se emitiraju pojedinačno. Nikada se ne događa da dva fotona iste valne duljine budu detektirana u isto vrijeme. "Ovo nam govori da se ti fotoni ne mogu proizvesti nasumično u materijalu, već da moraju postojati određene točke u uzorku volfram diselenida koje proizvode mnoge od tih fotona, jedan za drugim", objašnjava profesor Florian Libisch, čije se istraživanje fokusira na dva -dimenzionalni materijali.

Objašnjavanje ovog učinka zahtijeva detaljno razumijevanje ponašanja elektrona u materijalu na kvantnoj fizičkoj razini. Elektroni u volfram diselenidu mogu zauzimati različita energetska stanja. Ako elektron prijeđe iz stanja visoke energije u stanje niže energije, emitira se foton. Međutim, ovaj skok na nižu energiju nije uvijek dopušten: elektron se mora pridržavati određenih zakona—očuvanja količine gibanja i kutne količine gibanja.

Zbog ovih zakona očuvanja, elektron u visokoenergetskom kvantnom stanju mora tamo ostati—osim ako određene nesavršenosti u materijalu dopuštaju promjenu energetskih stanja. “Sloj volfram diselenida nikada nije savršen. Na nekim mjestima može nedostajati jedan ili više atoma selena”, kaže Lukas Linhart. "Ovo također mijenja energiju stanja elektrona u ovoj regiji."

Štoviše, sloj materijala nije savršena ravnina. Poput deke koja se gužva kada se prospe preko jastuka, volframov diselenid rasteže se lokalno kada je sloj materijala obješen na male potporne strukture. Ta mehanička naprezanja također utječu na elektronska energetska stanja.

“Interakcija nedostataka materijala i lokalnih naprezanja je komplicirana. Međutim, sada smo uspjeli simulirati oba efekta na računalu”, kaže Lukas Linhart. "I pokazalo se da samo kombinacija ovih učinaka može objasniti čudne svjetlosne efekte."

U tim mikroskopskim područjima materijala, gdje se defekti i površinske napetosti pojavljuju zajedno, energetske razine elektrona mijenjaju se iz visokog u nisko energetsko stanje i emitiraju foton. Zakoni kvantne fizike ne dopuštaju da dva elektrona budu u potpuno istom stanju u isto vrijeme, i stoga, elektroni moraju proći ovaj proces jedan po jedan. Kao rezultat toga, fotoni se također emitiraju jedan po jedan.

Istodobno, mehaničko izobličenje materijala pomaže nakupljanju velikog broja elektrona u blizini defekta tako da je drugi elektron spreman za ulazak nakon što je posljednji promijenio svoje stanje i emitirao foton.

Ovaj rezultat ilustrira da ultratanki 2-D materijali otvaraju potpuno nove mogućnosti za znanost o materijalima.