二セレン化タングステンの薄い層に電流を流すと、非常に珍しい方法で輝き始めます。他の半導体材料が放出できる通常の光に加えて、二セレン化タングステンは、材料の特定の点でのみ生成される、非常に特殊なタイプの明るい量子光も生成します。それは常に 1 つずつ放出される一連の光子で構成されており、決してペアや束で放出されることはありません。このアンチバンチング効果は、単一光子が必要な量子情報および量子暗号の分野の実験に最適です。しかし、この放出は長年にわたって謎のままでした。

ウィーン工科大学の研究者らは、この量子光効果の原因は、材料内の単一原子欠陥と機械的歪みの微妙な相互作用であると説明しました。コンピューターシミュレーションは、電子が材料内の特定の場所にどのように駆動され、そこで欠陥に捕らえられ、エネルギーを失い、光子を放出するかを示します。量子光パズルの解決策は、Physical Review Letters に掲載されました。

原子の厚さはわずか 3 つだけ

二セレン化タングステンは、非常に薄い層を形成する二次元材料です。このような層の厚さはわずか 3 原子層で、タングステン原子が中央にあり、その上下のセレン原子と結合しています。 「電圧を印加したり、適切な波長の光を照射するなどして層にエネルギーが供給されると、層は輝き始めます」とウィーン工科大学理論物理学研究所のルーカス・リンハート氏は説明する。 「これ自体は珍しいことではなく、多くの材料がそうなります。しかし、二セレン化タングステンが発する光を詳しく分析したところ、通常の光に加えて、非常に珍しい性質を持つ特殊な光が検出されました。」

この特別な性質の量子光は特定の波長の光子で構成されており、それらは常に個別に放出されます。同じ波長の 2 つの光子が同時に検出されることは決してありません。 「これは、これらの光子が材料内でランダムに生成されることはなく、二セレン化タングステンのサンプル中にこれらの光子を次々に生成する特定の点が存在するはずであることを示しています。」とフロリアン・リビッシュ教授は説明します。 -次元素材。

この効果を説明するには、材料内の電子の挙動を量子物理レベルで詳細に理解する必要があります。二セレン化タングステン内の電子は、さまざまなエネルギー状態を占めることができます。電子が高エネルギーの状態から低エネルギーの状態に変化すると、光子が放出されます。ただし、このより低いエネルギーへのジャンプが常に許可されるわけではありません。電子は、運動量と角運動量の保存という特定の法則に従わなければなりません。

これらの保存則により、材料内の特定の欠陥によってエネルギー状態が変化しない限り、高エネルギーの量子状態にある電子はそこに留まらなければなりません。 「二セレン化タングステン層は決して完璧ではありません。場所によっては、1 つ以上のセレン原子が欠落している可能性があります」とルーカス・リンハート氏は言います。 「これにより、この領域の電子状態のエネルギーも変化します。」

さらに、材料層は完全な平面ではありません。枕の上に広げるとしわが寄る毛布のように、二セレン化タングステンは、材料層が小さな支持構造上に吊り下げられると局所的に伸びます。これらの機械的応力は、電子エネルギー状態にも影響を与えます。

「材料の欠陥と局所的なひずみの相互作用は複雑です。しかし、現在では両方の効果をコンピューター上でシミュレートすることに成功しています」とルーカス・リンハート氏は言います。 「そして、これらの効果の組み合わせだけが奇妙な光の効果を説明できることがわかりました。」

欠陥と表面歪みが同時に現れる材料の微視的な領域では、電子のエネルギーレベルが高エネルギー状態から低エネルギー状態に変化し、光子を放出します。量子物理学の法則では、2 つの電子が同時にまったく同じ状態になることは許されないため、電子はこのプロセスを 1 つずつ経験する必要があります。その結果、光子も1つずつ放出されます。

同時に、材料の機械的歪みは欠陥付近に多数の電子を蓄積するのに役立ち、最後の電子が状態を変えて光子を放出した後、別の電子が容易に侵入できるようになります。

この結果は、極薄の 2D 材料が材料科学にまったく新しい可能性を切り開くことを示しています。