얇은 텅스텐 디셀레나이드 층에 전류를 가하면 매우 특이한 방식으로 빛나기 시작합니다. 다른 반도체 재료가 방출할 수 있는 일반적인 빛 외에도 텅스텐 디셀레나이드도 재료의 특정 지점에서만 생성되는 매우 특별한 유형의 밝은 양자광을 생성합니다. 이는 쌍이나 무리가 아닌 항상 하나씩 방출되는 일련의 광자로 구성됩니다. 이 안티 번칭 효과는 단일 광자가 필요한 양자 정보 및 양자 암호화 분야의 실험에 적합합니다. 그러나 수년 동안 이 방출은 미스터리로 남아 있었습니다.

비엔나 공대(TU Vienna)의 연구원들은 이제 다음과 같이 설명했습니다. 재료의 단일 원자 결함과 기계적 변형의 미묘한 상호 작용이 이러한 양자 광 효과의 원인입니다. 컴퓨터 시뮬레이션은 전자가 재료의 특정 위치로 이동하여 결함에 의해 포착되어 에너지를 잃고 광자를 방출하는 방법을 보여줍니다. 양자광 퍼즐에 대한 해결책이 이제 Physical Review Letters에 게재되었습니다.

두께는 원자 3개에 불과하다

텅스텐 디셀레나이드(Tungsten diselenide)는 매우 얇은 층을 형성하는 2차원 물질입니다. 이러한 층은 두께가 3개의 원자층에 불과하며 중앙에 텅스텐 원자가 있고 그 아래 및 위에 셀레늄 원자가 결합되어 있습니다. "예를 들어 전기 전압을 가하거나 적절한 파장의 빛을 조사하여 에너지가 층에 공급되면 빛을 내기 시작합니다"라고 TU 비엔나 이론 물리학 연구소의 Lukas Linhart는 설명합니다. “이것은 그 자체로는 특이한 것이 아니며 많은 재료가 그렇게 합니다. 그러나 텅스텐 디셀레나이드에서 방출되는 빛을 자세히 분석한 결과, 일반적인 빛 외에도 매우 특이한 특성을 지닌 특별한 유형의 빛이 감지되었습니다.”

이 특별한 성질의 양자광은 특정 파장의 광자로 구성되며 항상 개별적으로 방출됩니다. 동일한 파장의 두 광자가 동시에 감지되는 일은 결코 발생하지 않습니다. “이것은 이러한 광자가 물질에서 무작위로 생성될 수 없다는 것을 말해줍니다. 하지만 이셀레니드 텅스텐 샘플에는 이러한 많은 광자를 차례로 생성하는 특정 지점이 있어야 합니다.”라고 두 가지 연구에 초점을 맞춘 Florian Libisch 교수는 설명합니다. -차원적인 재료.

이 효과를 설명하려면 양자물리적 수준에서 물질 내 전자의 거동을 자세히 이해해야 합니다. 텅스텐 디셀레나이드의 전자는 다양한 에너지 상태를 차지할 수 있습니다. 전자가 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 바뀌면 광자가 방출됩니다. 그러나 더 낮은 에너지로의 도약이 항상 허용되는 것은 아닙니다. 전자는 운동량 보존과 각운동량 보존이라는 특정 법칙을 준수해야 합니다.

이러한 보존 법칙으로 인해 물질의 특정 결함으로 인해 에너지 상태가 변경되지 않는 한 고에너지 양자 상태의 전자는 그곳에 남아 있어야 합니다. “텅스텐 디셀레나이드 층은 결코 완벽하지 않습니다. 어떤 곳에서는 하나 이상의 셀레늄 원자가 누락되었을 수 있습니다.”라고 Lukas Linhart는 말합니다. "이것은 또한 이 지역의 전자 상태의 에너지를 변화시킵니다."

게다가 재료 레이어는 완벽한 평면이 아닙니다. 베개 위에 펼쳤을 때 주름이 생기는 담요처럼, 이셀레나이드 텅스텐은 재료 층이 작은 지지 구조물에 매달려 있을 때 국부적으로 늘어납니다. 이러한 기계적 응력은 전자 에너지 상태에도 영향을 미칩니다.

“재료 결함과 국부 변형의 상호 작용은 복잡합니다. 그러나 이제 우리는 컴퓨터에서 두 가지 효과를 모두 시뮬레이션하는 데 성공했습니다.”라고 Lukas Linhart는 말합니다. "그리고 이러한 효과의 조합만이 이상한 빛 효과를 설명할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다."

결함과 표면 변형이 함께 나타나는 물질의 미세한 영역에서 전자의 에너지 준위는 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 바뀌고 광자를 방출합니다. 양자물리학의 법칙에서는 두 개의 전자가 동시에 완전히 동일한 상태에 있는 것을 허용하지 않으므로 전자는 하나씩 이 과정을 거쳐야 합니다. 결과적으로 광자도 하나씩 방출됩니다.

동시에, 재료의 기계적 왜곡은 결함 근처에 많은 수의 전자를 축적하는 데 도움이 되므로 마지막 전자가 상태를 변경하고 광자를 방출한 후에 다른 전자가 쉽게 개입할 수 있습니다.

이 결과는 초박형 2D 재료가 재료 과학에 완전히 새로운 가능성을 열어준다는 것을 보여줍니다.