Þegar straumur er borinn á þunnt lag af wolframdíseleníði byrjar það að glóa á mjög óvenjulegan hátt. Auk venjulegs ljóss, sem önnur hálfleiðaraefni geta gefið frá sér, framleiðir wolframdíseleníð einnig mjög sérstaka tegund af skæru skammtaljósi, sem myndast aðeins á ákveðnum stöðum efnisins. Það samanstendur af röð ljóseinda sem eru alltaf sendar frá sér ein af annarri - aldrei í pörum eða í hópum. Þessi andstæðingur-bunching áhrif eru fullkomin fyrir tilraunir á sviði skammtaupplýsinga og skammtadulritunar, þar sem stakar ljóseindir eru nauðsynlegar. Hins vegar hefur þessi losun verið ráðgáta í mörg ár.

Vísindamenn við TU Vín hafa nú útskýrt þetta: Lúmskt samspil stakra atómgalla í efninu og vélrænni álagi eru ábyrgir fyrir þessum skammtaljósaáhrifum. Tölvulíkingar sýna hvernig rafeindunum er ekið á tiltekna staði í efninu, þar sem þær eru fangaðar af galla, missa orku og gefa frá sér ljóseind. Lausnin á skammtaljósþrautinni hefur nú verið birt í Physical Review Letters.

Aðeins þrjú atóm þykk

Tungsten diselenide er tvívítt efni sem myndar mjög þunn lög. Slík lög eru aðeins þrjú atómlög þykk, með wolframatóm í miðjunni, tengd selenatómum fyrir neðan og ofan. „Ef orka er veitt til lagsins, til dæmis með því að beita rafspennu eða með því að geisla það með ljósi af viðeigandi bylgjulengd, byrjar það að skína,“ útskýrir Lukas Linhart frá Institute of theoretical Physics við TU Vín. „Þetta er í sjálfu sér ekkert óvenjulegt, mörg efni gera það. Hins vegar, þegar ljósið sem wolfram diseleníð gefur frá sér var greint ítarlega, greindist auk venjulegs ljóss sérstök tegund ljóss með mjög óvenjulega eiginleika.“

Þetta sérstaka náttúruskammtaljós samanstendur af ljóseindum með ákveðinni bylgjulengd - og þær eru alltaf sendar út hver fyrir sig. Það gerist aldrei að tvær ljóseindir með sömu bylgjulengd greinist á sama tíma. „Þetta segir okkur að ekki er hægt að framleiða þessar ljóseindir af handahófi í efninu, heldur hljóta að vera ákveðnir punktar í wolframdíseleníðsýninu sem framleiða margar af þessum ljóseindum, hver á eftir annarri,“ útskýrir prófessor Florian Libisch, en rannsóknir hans beinast að tveimur -víddar efni.

Til að útskýra þessi áhrif þarf nákvæman skilning á hegðun rafeinda í efninu á skammtafræðilegu stigi. Rafeindir í wolframdíseleníði geta haft mismunandi orkuástand. Ef rafeind breytist úr háorkuástandi í lægri orku er ljóseind ​​gefin út. Hins vegar er þetta stökk í minni orku ekki alltaf leyfilegt: Rafeindin þarf að fylgja ákveðnum lögmálum - varðveisla skriðþunga og skriðþunga.

Vegna þessara varðveislulögmála verður rafeind í háorku skammtaástandi að vera þar — nema ákveðnar ófullkomleikar í efninu leyfi orkuástandinu að breytast. „Volfram díseleníðlag er aldrei fullkomið. Sums staðar gæti eitt eða fleiri selenatóm vantað,“ segir Lukas Linhart. „Þetta breytir líka orku rafeindaástandanna á þessu svæði.

Þar að auki er efnislagið ekki fullkomið plan. Eins og teppi sem hrukkar þegar það er dreift yfir kodda, teygir wolfram diseleníð staðbundið þegar efnislagið er hengt upp á litlum burðarvirkjum. Þessar vélrænu álag hafa einnig áhrif á raforkuástandið.

„Samspil efnisgalla og staðbundinna stofna er flókið. Hins vegar hefur okkur nú tekist að líkja eftir báðum áhrifum í tölvu,“ segir Lukas Linhart. „Og það kemur í ljós að aðeins samsetning þessara áhrifa getur útskýrt undarlegu ljósáhrifin.

Á þeim smásjársvæðum efnisins, þar sem gallar og yfirborðsþynningar birtast saman, breytist orkustig rafeindanna úr háorku í lágorkuástand og gefur frá sér ljóseind. Lögmál skammtaeðlisfræðinnar leyfa ekki að tvær rafeindir séu í nákvæmlega sama ástandi á sama tíma og því verða rafeindirnar að gangast undir þetta ferli ein af annarri. Fyrir vikið eru ljóseindin send út ein af annarri líka.

Á sama tíma hjálpar vélræn röskun efnisins til þess að safna miklum fjölda rafeinda í nágrenni gallans þannig að önnur rafeind er á reiðum höndum til að stíga inn eftir að sú síðasta hefur breytt um ástand og gefið frá sér ljóseind.

Þessi niðurstaða sýnir að ofurþunn 2-D efni opna alveg nýja möguleika fyrir efnisfræði.