כאשר מוחל זרם על שכבה דקה של טונגסטן דיסלניד, הוא מתחיל לזרוח בצורה מאוד יוצאת דופן. בנוסף לאור רגיל, שחומרים מוליכים למחצה אחרים יכולים לפלוט, טונגסטן דיסלניד מייצר גם סוג מיוחד מאוד של אור קוונטי בהיר, שנוצר רק בנקודות ספציפיות של החומר. הוא מורכב מסדרה של פוטונים שנפלטים תמיד אחד אחד - אף פעם לא בזוגות או בצרורות. אפקט אנטי-צרור זה מושלם לניסויים בתחום המידע הקוונטי והצפנה קוונטית, שבהם נדרשים פוטונים בודדים. עם זאת, במשך שנים, הפליטה הזו נותרה בגדר תעלומה.

חוקרים ב-TU Vienna הסבירו זאת כעת: אינטראקציה עדינה של פגמים אטומיים בודדים בחומר והזן המכני אחראים לאפקט האור הקוונטי הזה. הדמיות ממוחשבות מראות כיצד האלקטרונים מונעים למקומות ספציפיים בחומר, שם הם נלכדים על ידי פגם, מאבדים אנרגיה ופולטים פוטון. הפתרון לפאזל האור הקוונטי פורסם כעת ב-Physical Review Letters.

רק שלושה אטומים עובי

טונגסטן דיסלניד הוא חומר דו מימדי היוצר שכבות דקות במיוחד. שכבות כאלה הן רק שלוש שכבות אטומיות בעובי, עם אטומי טונגסטן באמצע, מחוברים לאטומי סלניום מתחת ומעל. "אם אנרגיה מסופקת לשכבה, למשל על ידי הפעלת מתח חשמלי או על ידי הקרנתה באור באורך גל מתאים, היא מתחילה לזרוח", מסביר לוקאס לינהארט מהמכון לפיזיקה תיאורטית ב-TU וינה. "זה כשלעצמו אינו יוצא דופן, חומרים רבים עושים זאת. עם זאת, כאשר האור הנפלט על ידי טונגסטן דיסלניד נותח בפירוט, בנוסף לאור רגיל זוהה סוג מיוחד של אור בעל תכונות מאוד חריגות".

האור הקוונטי הטבעי המיוחד הזה מורכב מפוטונים בעלי אורכי גל ספציפיים - והם תמיד נפלטים בנפרד. אף פעם לא קורה ששני פוטונים באותו אורך גל מתגלים בו זמנית. "זה אומר לנו שלא ניתן לייצר את הפוטונים הללו באופן אקראי בחומר, אלא שחייבות להיות נקודות מסוימות בדגימת טונגסטן דיסלניד המייצרות רבים מהפוטונים הללו, בזה אחר זה", מסביר פרופסור פלוריאן ליביש, שמחקרו מתמקד בשניים. -חומרים ממדיים.

הסבר אפקט זה דורש הבנה מפורטת של התנהגות האלקטרונים בחומר ברמה פיזיקלית קוונטית. אלקטרונים בטונגסטן דיסלניד יכולים לתפוס מצבי אנרגיה שונים. אם אלקטרון משתנה ממצב של אנרגיה גבוהה למצב של אנרגיה נמוכה יותר, נפלט פוטון. עם זאת, קפיצה זו לאנרגיה נמוכה יותר לא תמיד מותרת: האלקטרון צריך לדבוק בחוקים מסוימים - שימור התנע והתנע הזוויתי.

בשל חוקי השימור הללו, אלקטרון במצב קוונטי בעל אנרגיה גבוהה חייב להישאר שם - אלא אם פגמים מסוימים בחומר מאפשרים לשנות את מצבי האנרגיה. "שכבת טונגסטן דיסלניד לעולם אינה מושלמת. במקומות מסוימים, ייתכן שחסר אטום סלניום אחד או יותר", אומר לוקאס לינהארט. "זה גם משנה את האנרגיה של מצבי האלקטרונים באזור זה."

יתר על כן, שכבת החומר אינה מישור מושלם. כמו שמיכה שמתקמטת כשפורסים על כרית, טונגסטן דיסלניד נמתח באופן מקומי כאשר שכבת החומר תלויה על מבני תמיכה קטנים. ללחצים מכניים אלה יש השפעה גם על מצבי האנרגיה האלקטרונית.

"האינטראקציה של פגמים חומריים וזנים מקומיים היא מסובכת. עם זאת, הצלחנו כעת לדמות את שני האפקטים במחשב", אומר לוקאס לינהארט. "ומסתבר שרק השילוב של האפקטים האלה יכול להסביר את השפעות האור המוזרות."

באותם אזורים מיקרוסקופיים של החומר, שבהם מופיעים פגמים ומתיחות פני השטח יחד, רמות האנרגיה של האלקטרונים משתנות ממצב אנרגיה גבוה לנמוך ופולטות פוטון. חוקי הפיזיקה הקוונטית אינם מאפשרים לשני אלקטרונים להיות באותו מצב בדיוק באותו זמן, ולכן, האלקטרונים חייבים לעבור תהליך זה בזה אחר זה. כתוצאה מכך, הפוטונים נפלטים גם אחד אחד.

יחד עם זאת, העיוות המכני של החומר עוזר לצבור מספר רב של אלקטרונים בקרבת הפגם, כך שאלקטרון נוסף זמין להיכנס פנימה לאחר שהאחרון שינה את מצבו ופלט פוטון.

תוצאה זו ממחישה כי חומרים דו-ממדיים דקים במיוחד פותחים אפשרויות חדשות לחלוטין עבור מדעי החומרים.