Kai srovė pavedama ploną volframo diselenido sluoksnį, ji pradeda švytėti labai neįprastai. Be įprastos šviesos, kurią gali skleisti kitos puslaidininkinės medžiagos, volframo diselenidas taip pat sukuria labai ypatingą ryškią kvantinę šviesą, kuri sukuriama tik tam tikruose medžiagos taškuose. Jį sudaro daugybė fotonų, kurie visada išspinduliuojami po vieną – niekada poromis ar krūvomis. Šis anti-bunching efektas puikiai tinka eksperimentams kvantinės informacijos ir kvantinės kriptografijos srityse, kur reikalingi pavieniai fotonai. Tačiau daugelį metų ši emisija išliko paslaptis.

Vienos TU mokslininkai dabar paaiškino: subtili atskirų atominių medžiagų defektų ir mechaninio įtempimo sąveika yra atsakinga už šį kvantinės šviesos efektą. Kompiuterinis modeliavimas parodo, kaip elektronai nuvaromi į konkrečias medžiagos vietas, kur juos pagauna defektas, praranda energiją ir išspinduliuoja fotoną. Kvantinės šviesos galvosūkio sprendimas dabar buvo paskelbtas „Physical Review Letters“.

Tik trijų atomų storio

Volframo diselenidas yra dvimatė medžiaga, formuojanti itin plonus sluoksnius. Tokie sluoksniai yra tik trijų atomų sluoksnių storio, su volframo atomais viduryje, sujungtais su seleno atomais žemiau ir aukščiau. „Jei į sluoksnį tiekiama energija, pavyzdžiui, naudojant elektros įtampą arba apšvitinant jį tinkamo bangos ilgio šviesa, jis pradeda šviesti“, – aiškina Lukas Linhartas iš Teorinės fizikos instituto TU Vienoje. „Tai savaime nėra neįprasta, daugelis medžiagų tai daro. Tačiau detaliai išanalizavus volframo diselenido skleidžiamą šviesą, be įprastos šviesos buvo aptiktas ypatingas šviesos tipas, pasižymintis labai neįprastomis savybėmis.

Šią ypatingos prigimties kvantinę šviesą sudaro tam tikro bangos ilgio fotonai ir jie visada skleidžiami atskirai. Niekada nebūna, kad vienu metu būtų aptikti du vienodo bangos ilgio fotonai. „Tai rodo, kad šie fotonai negali atsitiktinai susidaryti medžiagoje, bet kad volframo diselenido mėginyje turi būti tam tikri taškai, kurie vienas po kito gamina daug šių fotonų“, – aiškina profesorius Florianas Libischas, kurio moksliniai tyrimai daugiausia dėmesio skiria dviem. - matmenų medžiagos.

Norint paaiškinti šį efektą, reikia išsamiai suprasti medžiagoje esančių elektronų elgesį kvantiniame fiziniame lygmenyje. Volframo diselenido elektronai gali užimti skirtingas energijos būsenas. Jei elektronas pereina iš didelės energijos būsenos į mažesnės energijos būseną, išspinduliuojamas fotonas. Tačiau šis šuolis į mažesnę energiją ne visada leidžiamas: elektronas turi laikytis tam tikrų dėsnių - impulso ir kampinio momento išsaugojimo.

Dėl šių išsaugojimo dėsnių didelės energijos kvantinėje būsenoje esantis elektronas turi likti ten – nebent tam tikri medžiagos netobulumai leidžia energijos būsenoms keistis. „Volframo diselenido sluoksnis niekada nėra tobulas. Kai kur gali trūkti vieno ar kelių seleno atomų“, – sako Lukas Linhartas. "Tai taip pat keičia elektronų būsenų energiją šiame regione."

Be to, medžiagos sluoksnis nėra tobula plokštuma. Tarsi antklodė, kuri susiraukšlėja, kai užtiesiama ant pagalvės, volframo diselenidas lokaliai išsitempia, kai medžiagos sluoksnis pakabinamas ant mažų atraminių konstrukcijų. Šie mechaniniai įtempiai taip pat turi įtakos elektroninės energijos būsenoms.

„Medžiagų defektų ir vietinių deformacijų sąveika yra sudėtinga. Tačiau dabar mums pavyko abu efektus imituoti kompiuteriu“, – sako Lukas Linhartas. "Ir pasirodo, kad tik šių efektų derinys gali paaiškinti keistus šviesos efektus."

Tose mikroskopinėse medžiagos srityse, kur defektai ir paviršiaus deformacijos atsiranda kartu, elektronų energijos lygiai keičiasi iš didelės į mažos energijos būseną ir išskiria fotoną. Kvantinės fizikos dėsniai neleidžia dviem elektronams būti tiksliai toje pačioje būsenoje tuo pačiu metu, todėl elektronai turi atlikti šį procesą po vieną. Dėl to fotonai taip pat išspinduliuojami po vieną.

Tuo pačiu metu mechaninis medžiagos iškraipymas padeda sukaupti daug elektronų šalia defekto, kad kitas elektronas būtų lengvai pasiekiamas, kai pastarasis pakeičia savo būseną ir išspinduliuoja fotoną.

Šis rezultatas rodo, kad itin plonos 2-D medžiagos atveria visiškai naujas medžiagų mokslo galimybes.