Ketika arus diterapkan pada lapisan tipis tungsten diselenida, ia mulai bersinar dengan cara yang sangat tidak biasa. Selain cahaya biasa, yang dapat dipancarkan oleh bahan semikonduktor lain, tungsten diselenida juga menghasilkan jenis cahaya kuantum terang yang sangat khusus, yang hanya tercipta pada titik-titik tertentu pada material tersebut. Ia terdiri dari serangkaian foton yang selalu dipancarkan satu per satu—tidak pernah berpasangan atau berkelompok. Efek anti-bunching ini sempurna untuk eksperimen di bidang informasi kuantum dan kriptografi kuantum, yang memerlukan foton tunggal. Namun, selama bertahun-tahun, emisi ini masih menjadi misteri.

Para peneliti di TU Vienna kini telah menjelaskan hal ini: Interaksi halus antara cacat atom tunggal pada material dan tekanan mekanis bertanggung jawab atas efek cahaya kuantum ini. Simulasi komputer menunjukkan bagaimana elektron didorong ke tempat tertentu dalam material, di mana mereka ditangkap oleh suatu cacat, kehilangan energi dan memancarkan foton. Solusi untuk teka-teki cahaya kuantum kini telah dipublikasikan di Physical Review Letters.

Tebalnya hanya tiga atom

Tungsten diselenide adalah material dua dimensi yang membentuk lapisan sangat tipis. Lapisan tersebut hanya setebal tiga lapisan atom, dengan atom tungsten di tengah, ditambah dengan atom selenium di bawah dan di atas. “Jika energi disuplai ke lapisan, misalnya dengan memberikan tegangan listrik atau dengan menyinarinya dengan cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai, lapisan tersebut akan mulai bersinar,” jelas Lukas Linhart dari Institute of Theoretical Physics di TU Vienna. “Hal ini bukanlah hal yang aneh, banyak material yang melakukan hal tersebut. Namun, ketika cahaya yang dipancarkan oleh tungsten diselenide dianalisis secara rinci, selain cahaya biasa, jenis cahaya khusus dengan sifat yang sangat tidak biasa juga terdeteksi.”

Cahaya kuantum yang bersifat khusus ini terdiri dari foton dengan panjang gelombang tertentu—dan selalu dipancarkan secara individual. Tidak pernah terjadi dua foton dengan panjang gelombang yang sama terdeteksi pada waktu yang sama. “Hal ini memberi tahu kita bahwa foton-foton ini tidak dapat dihasilkan secara acak di dalam material, namun harus ada titik-titik tertentu dalam sampel tungsten diselenida yang menghasilkan banyak foton ini, satu demi satu,” jelas Profesor Florian Libisch, yang penelitiannya berfokus pada dua bahan -dimensi.

Menjelaskan efek ini memerlukan pemahaman rinci tentang perilaku elektron dalam material pada tingkat fisik kuantum. Elektron dalam tungsten diselenida dapat menempati keadaan energi yang berbeda. Jika elektron berubah dari keadaan berenergi tinggi ke keadaan berenergi lebih rendah, maka foton akan dipancarkan. Namun, lompatan ke energi yang lebih rendah ini tidak selalu diperbolehkan: Elektron harus mematuhi hukum tertentu—kekekalan momentum dan momentum sudut.

Karena hukum kekekalan ini, sebuah elektron dalam keadaan kuantum berenergi tinggi harus tetap berada di sana—kecuali ketidaksempurnaan tertentu pada material memungkinkan keadaan energinya berubah. “Lapisan diselenida tungsten tidak pernah sempurna. Di beberapa tempat, satu atau lebih atom selenium mungkin hilang,” kata Lukas Linhart. “Ini juga mengubah energi keadaan elektron di wilayah ini.”

Apalagi lapisan materialnya bukanlah bidang yang sempurna. Seperti selimut yang berkerut ketika dibentangkan di atas bantal, tungsten diselenide meregang secara lokal ketika lapisan material digantung pada struktur pendukung kecil. Tekanan mekanis ini juga berdampak pada keadaan energi elektronik.

“Interaksi antara cacat material dan strain lokal sangatlah rumit. Namun, kini kami telah berhasil mensimulasikan kedua efek tersebut di komputer,” kata Lukas Linhart. “Dan ternyata hanya kombinasi dari efek-efek ini yang dapat menjelaskan efek cahaya yang aneh.”

Pada daerah mikroskopis material, dimana cacat dan regangan permukaan muncul bersamaan, tingkat energi elektron berubah dari tingkat energi tinggi ke rendah dan memancarkan foton. Hukum fisika kuantum tidak mengizinkan dua elektron berada dalam keadaan yang persis sama pada waktu yang sama, dan oleh karena itu, elektron harus menjalani proses ini satu per satu. Akibatnya, foton juga dipancarkan satu per satu.

Pada saat yang sama, distorsi mekanis material membantu mengakumulasi sejumlah besar elektron di sekitar cacat sehingga elektron lain tersedia untuk menggantikan elektron terakhir yang mengubah keadaannya dan memancarkan foton.

Hasil ini menggambarkan bahwa material 2-D ultra tipis membuka kemungkinan baru bagi ilmu material.