Quando viene applicata una corrente a un sottile strato di diseleniuro di tungsteno, questo inizia a brillare in modo molto insolito. Oltre alla luce ordinaria, che possono emettere altri materiali semiconduttori, il diseleniuro di tungsteno produce anche un tipo molto speciale di luce quantistica brillante, che viene creata solo in punti specifici del materiale. Consiste in una serie di fotoni che vengono sempre emessi uno per uno, mai in coppia o in gruppi. Questo effetto anti-raggruppamento è perfetto per esperimenti nel campo dell’informazione quantistica e della crittografia quantistica, dove sono richiesti singoli fotoni. Tuttavia, per anni, questa emissione è rimasta un mistero.

I ricercatori della TU Vienna lo hanno ora spiegato: una sottile interazione di singoli difetti atomici nel materiale e la deformazione meccanica sono responsabili di questo effetto di luce quantistica. Le simulazioni al computer mostrano come gli elettroni vengono guidati in punti specifici del materiale, dove vengono catturati da un difetto, perdono energia ed emettono un fotone. La soluzione al puzzle della luce quantistica è stata ora pubblicata su Physical Review Letters.

Solo tre atomi di spessore

Il diseleniuro di tungsteno è un materiale bidimensionale che forma strati estremamente sottili. Tali strati hanno uno spessore di soli tre strati atomici, con atomi di tungsteno al centro, accoppiati ad atomi di selenio sotto e sopra. "Se allo strato viene fornita energia, ad esempio applicando una tensione elettrica o irradiandolo con luce di lunghezza d'onda adeguata, esso inizia a brillare", spiega Lukas Linhart dell'Istituto di fisica teorica della TU Vienna. “Questo di per sé non è insolito, molti materiali lo fanno. Tuttavia, quando la luce emessa dal diseleniuro di tungsteno è stata analizzata in dettaglio, oltre alla luce ordinaria è stato rilevato un tipo speciale di luce con proprietà molto insolite”.

Questa luce quantistica di natura speciale è costituita da fotoni di lunghezze d’onda specifiche e vengono sempre emessi individualmente. Non accade mai che due fotoni della stessa lunghezza d'onda vengano rilevati contemporaneamente. "Questo ci dice che questi fotoni non possono essere prodotti in modo casuale nel materiale, ma che devono esserci determinati punti nel campione di diseleniuro di tungsteno che producono molti di questi fotoni, uno dopo l'altro", spiega il professor Florian Libisch, la cui ricerca si concentra su due materiali tridimensionali.

Spiegare questo effetto richiede una comprensione dettagliata del comportamento degli elettroni nel materiale a livello fisico quantistico. Gli elettroni nel diseleniuro di tungsteno possono occupare diversi stati energetici. Se un elettrone passa da uno stato di alta energia ad uno stato di energia più bassa, viene emesso un fotone. Tuttavia, questo salto a un’energia inferiore non è sempre consentito: l’elettrone deve rispettare determinate leggi: la conservazione della quantità di moto e del momento angolare.

A causa di queste leggi di conservazione, un elettrone in uno stato quantico ad alta energia deve rimanere lì, a meno che alcune imperfezioni del materiale non permettano agli stati energetici di cambiare. “Uno strato di diseleniuro di tungsteno non è mai perfetto. In alcuni punti potrebbero mancare uno o più atomi di selenio”, afferma Lukas Linhart. “Ciò cambia anche l’energia degli stati elettronici in questa regione”.

Inoltre, lo strato materiale non è un piano perfetto. Come una coperta che si spiegazza quando stesa su un cuscino, il diseleniuro di tungsteno si allunga localmente quando lo strato di materiale è sospeso su piccole strutture di supporto. Queste sollecitazioni meccaniche hanno un effetto anche sugli stati energetici elettronici.

“L’interazione tra difetti dei materiali e deformazioni locali è complicata. Ora però siamo riusciti a simulare entrambi gli effetti su un computer”, afferma Lukas Linhart. "E si scopre che solo la combinazione di questi effetti può spiegare gli strani effetti di luce."

In quelle regioni microscopiche del materiale, dove i difetti e le deformazioni superficiali compaiono insieme, i livelli energetici degli elettroni cambiano da uno stato energetico alto a uno basso ed emettono un fotone. Le leggi della fisica quantistica non consentono a due elettroni di trovarsi esattamente nello stesso stato nello stesso momento e quindi gli elettroni devono subire questo processo uno per uno. Di conseguenza, anche i fotoni vengono emessi uno per uno.

Allo stesso tempo, la distorsione meccanica del materiale aiuta ad accumulare un gran numero di elettroni in prossimità del difetto in modo che un altro elettrone sia prontamente disponibile per intervenire dopo che l’ultimo ha cambiato stato ed emesso un fotone.

Questo risultato dimostra che i materiali 2D ultrasottili aprono possibilità completamente nuove per la scienza dei materiali.