Ток вольфрам диеленидінің жұқа қабатына қолданылғанда, ол өте ерекше түрде жарқырай бастайды. Басқа жартылай өткізгіш материалдар шығара алатын қарапайым жарықтан басқа, вольфрам дизелиді материалдың белгілі бір нүктелерінде ғана пайда болатын жарқын кванттық жарықтың өте ерекше түрін шығарады. Ол әрқашан бір-бірден шығарылатын фотондар тізбегінен тұрады — ешқашан жұппен немесе шоғырмен емес. Бұл топтамаға қарсы әсер кванттық ақпарат пен кванттық криптография саласындағы эксперименттер үшін өте қолайлы, мұнда жалғыз фотондар қажет. Алайда, бұл шығарындылар жылдар бойы жұмбақ күйінде қалды.

Вена университетінің зерттеушілері мұны енді былай түсіндірді: Материалдық және механикалық штаммдағы жалғыз атомдық ақаулардың нәзік өзара әрекеттесуі осы кванттық жарық әсеріне жауап береді. Компьютерлік модельдеу электрондардың материалдың белгілі бір жерлеріне қалай қозғалатынын, онда олар ақауға түсіп, энергияны жоғалтып, фотонды шығаратынын көрсетеді. Жарық кванттық басқатырғыштың шешімі Physical Review Letters журналында жарияланды.

Қалыңдығы үш атом ғана

Вольфрам диелениді - өте жұқа қабаттарды құрайтын екі өлшемді материал. Мұндай қабаттардың қалыңдығы үш атомдық қабат, ортасында вольфрам атомдары бар, астындағы және үстіндегі селен атомдарымен байланысқан. Венадағы ТУ теориялық физика институтынан Лукас Линхарт: «Егер қабатқа энергия, мысалы, электр кернеуін қолдану арқылы немесе сәйкес толқын ұзындығының жарығымен сәулелену арқылы берілсе, ол жарқырай бастайды», - деп түсіндіреді. «Бұл әдеттен тыс емес, көптеген материалдар мұны жасайды. Дегенмен, вольфрам дизелиді шығаратын жарықты егжей-тегжейлі талдаған кезде, қарапайым жарықтан басқа, өте ерекше қасиеттері бар ерекше жарық түрі анықталды».

Бұл ерекше табиғат кванттық жарық белгілі толқын ұзындықтағы фотондардан тұрады және олар әрқашан жеке-жеке шығарылады. Толқын ұзындығы бірдей екі фотонның бір уақытта анықталуы ешқашан болмайды. «Бұл бізге бұл фотондарды материалда кездейсоқ шығаруға болмайтынын, бірақ вольфрам дизелиді үлгісінде осы фотондардың көпшілігін бірінен соң бірін шығаратын белгілі бір нүктелер болуы керек екенін айтады», - деп түсіндіреді профессор Флориан Либиш, оның зерттеулері екіге бағытталған. - өлшемді материалдар.

Бұл әсерді түсіндіру материалдағы электрондардың кванттық физикалық деңгейде әрекетін егжей-тегжейлі түсінуді талап етеді. Вольфрам диеленидіндегі электрондар әр түрлі энергетикалық күйде болуы мүмкін. Егер электрон жоғары энергиялы күйден төмен энергиялы күйге ауысса, фотон шығарылады. Алайда, бұл төмен энергияға секіруге әрқашан рұқсат етілмейді: электрон белгілі бір заңдарды ұстануы керек - импульс пен бұрыштық импульстің сақталуы.

Осы сақталу заңдарына байланысты жоғары энергиялы кванттық күйдегі электрон сонда қалуы керек, егер материалдағы белгілі бір кемшіліктер энергия күйлерінің өзгеруіне мүмкіндік бермесе. «Вольфрам дизелиді қабаты ешқашан мінсіз емес. Кейбір жерлерде бір немесе бірнеше селен атомдары болмауы мүмкін», - дейді Лукас Линхарт. «Бұл сонымен қатар осы аймақтағы электрон күйлерінің энергиясын өзгертеді».

Оның үстіне материалдық қабат мінсіз жазықтық емес. Жастықтың үстіне жайылған кезде мыжылған көрпе сияқты, вольфрам дизелиді материал қабаты кішігірім тірек құрылымдарға ілінген кезде жергілікті түрде созылады. Бұл механикалық кернеулер электронды энергия күйлеріне де әсер етеді.

«Материалдық ақаулар мен жергілікті штаммдардың өзара әрекеттесуі күрделі. Дегенмен, біз қазір екі әсерді де компьютерде модельдеуге қол жеткіздік», - дейді Лукас Линхарт. «Және бұл әсерлердің үйлесімі ғана таңғаларлық жарық әсерлерін түсіндіре алатыны белгілі болды».

Кемтіктер мен беттік штаммдар бірге пайда болатын материалдың микроскопиялық аймақтарында электрондардың энергетикалық деңгейлері жоғарыдан төмен энергетикалық күйге ауысады және фотон шығарады. Кванттық физика заңдары екі электронның бір уақытта тура бір күйде болуына жол бермейді, сондықтан электрондар бұл процесті бірінен соң бірі өтуі керек. Нәтижесінде фотондар да бірінен соң бірін шығарады.

Сонымен қатар, материалдың механикалық бұрмалануы ақаудың маңында электрондардың көп мөлшерін жинақтауға көмектеседі, осылайша соңғысы күйін өзгертіп, фотонды шығарғаннан кейін басқа электрон кіруге оңай болады.

Бұл нәтиже ультра жұқа екі өлшемді материалдар материалтану үшін мүлдем жаңа мүмкіндіктерді ашатынын көрсетеді.