Ha egy vékony volfrám-diszelenidrétegre áramot vezetnek, az rendkívül szokatlan módon kezd világítani. A közönséges fény mellett, amelyet más félvezető anyagok kibocsáthatnak, a wolfram-diszelenid egy nagyon speciális fényes kvantumfényt is termel, amely csak az anyag meghatározott pontjain jön létre. Fotonok sorozatából áll, amelyeket mindig egyenként bocsátanak ki – soha nem párban vagy csokorban. Ez a csomósodást gátló hatás tökéletes a kvantuminformáció és a kvantumkriptográfia területén végzett kísérletekhez, ahol egyetlen fotonra van szükség. Ez a kibocsátás azonban évek óta rejtély maradt.

A TU Vienna kutatói most ezt magyarázták: az anyagban előforduló egyedi atomi hibák és a mechanikai igénybevétel finom kölcsönhatása felelős ezért a kvantumfényhatásért. A számítógépes szimulációk azt mutatják meg, hogy az elektronok hogyan jutnak el az anyag meghatározott helyeire, ahol egy hiba befogja őket, energiát veszítenek és fotont bocsátanak ki. A kvantumfényrejtvény megoldása most megjelent a Physical Review Letters-ben.

Csak három atom vastag

A wolfram-diszelenid egy kétdimenziós anyag, amely rendkívül vékony rétegeket képez. Az ilyen rétegek mindössze három atomréteg vastagságúak, középen volfrámatomok, alul és felül szelénatomokkal kapcsolódnak. „Ha a réteget energiával látják el, például elektromos feszültség alkalmazásával vagy megfelelő hullámhosszú fénnyel való besugárzással, akkor az elkezd ragyogni” – magyarázza Lukas Linhart, a bécsi TU Elméleti Fizikai Intézetének munkatársa. „Ez önmagában nem szokatlan, sok anyag teszi ezt. Amikor azonban a wolfram-diszelenid által kibocsátott fényt részletesen elemezték, a közönséges fény mellett egy speciális, nagyon szokatlan tulajdonságokkal rendelkező fénytípust is észleltek.

Ez a különleges természetű kvantumfény meghatározott hullámhosszú fotonokból áll – és mindig egyenként bocsátják ki őket. Soha nem fordul elő, hogy egyszerre két azonos hullámhosszú fotont észleljenek. "Ez azt mondja nekünk, hogy ezek a fotonok nem keletkezhetnek véletlenszerűen az anyagban, hanem a wolfram-diszelenid mintában bizonyos pontoknak kell lenniük, amelyek egymás után sok ilyen fotont termelnek" - magyarázza Florian Libisch professzor, akinek kutatása két kérdésre összpontosít. - dimenziós anyagok.

Ennek a hatásnak a magyarázatához az anyagban lévő elektronok kvantumfizikai szinten való viselkedésének részletes megértése szükséges. A volfrám-diszelenidben lévő elektronok különböző energiaállapotokat foglalhatnak el. Ha egy elektron nagy energiájú állapotból alacsonyabb energiájú állapotba vált, foton bocsát ki. Ez az alacsonyabb energiára való ugrás azonban nem mindig megengedett: az elektronnak be kell tartania bizonyos törvényeket – a lendület és a szögimpulzus megmaradását.

A megmaradási törvények miatt egy nagy energiájú kvantumállapotú elektronnak ott kell maradnia – hacsak az anyag bizonyos tökéletlenségei nem teszik lehetővé az energiaállapotok megváltozását. „A wolfram-diszelenid réteg soha nem tökéletes. Egyes helyeken egy vagy több szelénatom hiányozhat” – mondja Lukas Linhart. "Ez megváltoztatja az elektronállapotok energiáját is ebben a régióban."

Ráadásul az anyagréteg sem tökéletes sík. Mint egy takaró, amely párnára terítve ráncosodik, a wolfram-diszelenid lokálisan megnyúlik, amikor az anyagréteget kis tartószerkezetekre felfüggesztik. Ezek a mechanikai feszültségek az elektronikus energiaállapotokra is hatással vannak.

„Az anyaghibák és a helyi feszültségek kölcsönhatása bonyolult. Mostanra azonban sikerült mindkét hatást számítógépen szimulálni” – mondja Lukas Linhart. "És kiderült, hogy csak ezeknek a hatásoknak a kombinációja magyarázhatja a furcsa fényhatásokat."

Az anyag azon mikroszkopikus tartományaiban, ahol a hibák és a felületi feszültségek együtt jelennek meg, az elektronok energiaszintje magasról alacsony energiájú állapotba változik, és fotont bocsátanak ki. A kvantumfizika törvényei nem teszik lehetővé, hogy két elektron egy időben pontosan ugyanabban az állapotban legyen, ezért az elektronoknak egyenként kell keresztülmenniük ezen a folyamaton. Ennek eredményeként a fotonok egyenként is kibocsátódnak.

Ugyanakkor az anyag mechanikai torzulása elősegíti, hogy nagyszámú elektron halmozódjon fel a hiba közelében, így egy másik elektron azonnal bejuthat, miután az utolsó megváltoztatta állapotát és fotont bocsátott ki.

Ez az eredmény azt mutatja, hogy az ultravékony 2-D anyagok teljesen új lehetőségeket nyitnak meg az anyagtudomány számára.