როდესაც დენი მიემართება ვოლფრამის დიზელენიდის თხელ ფენას, ის იწყებს ბრწყინავს უაღრესად უჩვეულო გზით. ჩვეულებრივი სინათლის გარდა, რომელსაც სხვა ნახევარგამტარულ მასალებს შეუძლიათ ასხივონ, ვოლფრამის დიზელენიდი ასევე აწარმოებს ნათელ კვანტურ შუქს განსაკუთრებულ ტიპს, რომელიც იქმნება მასალის მხოლოდ კონკრეტულ წერტილებში. იგი შედგება ფოტონების სერიისგან, რომლებიც ყოველთვის გამოიყოფა სათითაოდ - არასოდეს წყვილებად ან მტევნებად. ეს ანტი-დაგროვების ეფექტი შესანიშნავია კვანტური ინფორმაციისა და კვანტური კრიპტოგრაფიის სფეროში ექსპერიმენტებისთვის, სადაც საჭიროა ცალკეული ფოტონები. თუმცა, წლების განმავლობაში, ეს ემისია საიდუმლოდ რჩებოდა.

TU ვენის მკვლევარებმა ახლა ახსნეს ეს: მატერიალურ და მექანიკურ დაძაბვაში ერთი ატომური დეფექტების დახვეწილი ურთიერთქმედება პასუხისმგებელია ამ კვანტური სინათლის ეფექტზე. კომპიუტერული სიმულაციები აჩვენებს, თუ როგორ მოძრაობენ ელექტრონები მასალის კონკრეტულ ადგილებზე, სადაც ისინი იჭერენ დეფექტს, კარგავენ ენერგიას და ასხივებენ ფოტონს. კვანტური სინათლის თავსატეხის გამოსავალი ახლა გამოქვეყნდა Physical Review Letters-ში.

მხოლოდ სამი ატომის სისქე

ვოლფრამის დიზელენიდი არის ორგანზომილებიანი მასალა, რომელიც ქმნის უკიდურესად თხელ ფენებს. ასეთი ფენების სისქე მხოლოდ სამი ატომური ფენაა, ვოლფრამის ატომები შუაში, შეწყვილებული სელენის ატომებთან ქვემოთ და ზემოთ. „თუ ფენას ენერგია მიეწოდება, მაგალითად, ელექტრული ძაბვის გამოყენებით ან შესაბამისი ტალღის სიგრძის შუქით დასხივებით, ის იწყებს ნათებას“, - განმარტავს ლუკას ლინჰარტი TU ვენის თეორიული ფიზიკის ინსტიტუტიდან. „ეს თავისთავად უჩვეულო არ არის, ამას ბევრი მასალა აკეთებს. თუმცა, როდესაც ვოლფრამის დიზელენიდის მიერ გამოსხივებული შუქი დეტალურად იქნა გაანალიზებული, ჩვეულებრივი სინათლის გარდა, გამოვლინდა სპეციალური ტიპის შუქი ძალიან უჩვეულო თვისებებით.

ეს განსაკუთრებული ბუნების კვანტური შუქი შედგება კონკრეტული ტალღის სიგრძის ფოტონებისაგან და ისინი ყოველთვის ინდივიდუალურად გამოიყოფა. არასოდეს ხდება, რომ ერთსა და იმავე ტალღის სიგრძის ორი ფოტონი აღმოჩენილი იყოს ერთდროულად. ”ეს გვეუბნება, რომ ეს ფოტონები არ შეიძლება წარმოიქმნას შემთხვევით მასალაში, მაგრამ ვოლფრამის დიზელენიდის ნიმუშში უნდა იყოს გარკვეული წერტილები, რომლებიც წარმოქმნიან ამ ფოტონებს ერთმანეთის მიყოლებით,” განმარტავს პროფესორი ფლორიან ლიბიში, რომლის კვლევა ორიენტირებულია ორზე. - განზომილებიანი მასალები.

ამ ეფექტის ახსნა მოითხოვს მასალაში ელექტრონების ქცევის დეტალურ გაგებას კვანტურ ფიზიკურ დონეზე. ვოლფრამის დიზელენიდში არსებულ ელექტრონებს შეუძლიათ დაიკავონ სხვადასხვა ენერგეტიკული მდგომარეობა. თუ ელექტრონი იცვლება მაღალი ენერგიის მდგომარეობიდან ქვედა ენერგიის მდგომარეობაში, გამოიყოფა ფოტონი. თუმცა, ეს ნახტომი უფრო დაბალ ენერგიაზე ყოველთვის არ არის დაშვებული: ელექტრონი უნდა დაიცვას გარკვეული კანონები - იმპულსის შენარჩუნება და კუთხური იმპულსი.

კონსერვაციის ამ კანონების გამო, ელექტრონი მაღალი ენერგიის კვანტურ მდგომარეობაში უნდა დარჩეს იქ, თუ მასალაში გარკვეული ნაკლოვანებები ენერგეტიკული მდგომარეობების შეცვლას არ იძლევა. „ვოლფრამის დიზელენიდის ფენა არასოდეს არის სრულყოფილი. ზოგიერთ ადგილას, სელენის ერთი ან მეტი ატომი შეიძლება არ იყოს“, - ამბობს ლუკას ლინჰარტი. ”ეს ასევე ცვლის ამ რეგიონში ელექტრონული მდგომარეობების ენერგიას.”

უფრო მეტიც, მატერიალური ფენა არ არის სრულყოფილი თვითმფრინავი. საბანის მსგავსად, რომელიც ნაოჭდება ბალიშზე გაშლისას, ვოლფრამის დიზელენიდი ლოკალურად იჭიმება, როდესაც მატერიალური ფენა დაკიდებულია მცირე საყრდენ სტრუქტურებზე. ეს მექანიკური სტრესები ასევე მოქმედებს ელექტრონულ ენერგეტიკულ მდგომარეობებზე.

„მატერიალური დეფექტების და ადგილობრივი შტამების ურთიერთქმედება გართულებულია. თუმცა, ჩვენ ახლა მივაღწიეთ ორივე ეფექტის სიმულაციას კომპიუტერზე“, - ამბობს ლუკას ლინჰარტი. ”და გამოდის, რომ მხოლოდ ამ ეფექტების კომბინაციას შეუძლია ახსნას უცნაური სინათლის ეფექტები.”

მასალის იმ მიკროსკოპულ რაიონებში, სადაც დეფექტები და ზედაპირული დაძაბულობა ერთად ჩნდება, ელექტრონების ენერგეტიკული დონეები იცვლება მაღალი ენერგიის მდგომარეობიდან დაბალ ენერგეტიკულ მდგომარეობაში და ასხივებს ფოტონს. კვანტური ფიზიკის კანონები არ იძლევა საშუალებას, რომ ორი ელექტრონი იმავდროულად იყოს ზუსტად ერთსა და იმავე მდგომარეობაში და ამიტომ, ელექტრონები სათითაოდ უნდა გაიარონ ეს პროცესი. შედეგად, ფოტონებიც სათითაოდ გამოიყოფა.

ამავდროულად, მასალის მექანიკური დამახინჯება ხელს უწყობს ელექტრონების დიდი რაოდენობის დაგროვებას დეფექტის სიახლოვეს ისე, რომ სხვა ელექტრონი ადვილად ხელმისაწვდომი იყოს ჩასასვლელად მას შემდეგ, რაც უკანასკნელი შეიცვლის მდგომარეობას და გამოყოფს ფოტონს.

ეს შედეგი გვიჩვენებს, რომ ულტრათხელი 2-D მასალები ხსნის სრულიად ახალ შესაძლებლობებს მასალების მეცნიერებისთვის.