Kad strāva tiek pievadīta plānam volframa diselenīda slānim, tā sāk spīdēt ļoti neparastā veidā. Papildus parastajai gaismai, ko var izstarot citi pusvadītāju materiāli, volframa diselenīds rada arī ļoti īpašu spilgtas kvantu gaismas veidu, kas tiek radīts tikai noteiktos materiāla punktos. Tas sastāv no fotonu sērijas, kas vienmēr tiek izstaroti pa vienam — nekad pa pāriem vai saišķos. Šis pretgrupēšanās efekts ir lieliski piemērots eksperimentiem kvantu informācijas un kvantu kriptogrāfijas jomā, kur nepieciešami atsevišķi fotoni. Tomēr gadiem ilgi šī emisija ir palikusi noslēpums.

Pētnieki TU Vīnē tagad ir paskaidrojuši: par šo kvantu gaismas efektu ir atbildīga materiāla atsevišķu atomu defektu smalka mijiedarbība un mehāniskā deformācija. Datorsimulācijas parāda, kā elektroni tiek virzīti uz konkrētām materiāla vietām, kur tos uztver defekts, zaudē enerģiju un izstaro fotonu. Kvantu gaismas mīklas risinājums tagad ir publicēts izdevumā Physical Review Letters.

Tikai trīs atomu biezums

Volframa diselenīds ir divdimensiju materiāls, kas veido īpaši plānus slāņus. Šādi slāņi ir tikai trīs atomu slāņu biezumā, ar volframa atomiem vidū, kas savienoti ar selēna atomiem zem un augšā. "Ja slānim tiek piegādāta enerģija, piemēram, pieliekot elektrisko spriegumu vai apstarojot to ar piemērota viļņa garuma gaismu, tas sāk spīdēt," skaidro Lukass Linharts no TU Vīnes Teorētiskās fizikas institūta. “Tas pats par sevi nav nekas neparasts, daudzi materiāli to dara. Tomēr, detalizēti analizējot volframa diselenīda izstaroto gaismu, papildus parastajai gaismai tika atklāts īpašs gaismas veids ar ļoti neparastām īpašībām.

Šī īpašā dabas kvantu gaisma sastāv no noteikta viļņa garuma fotoniem, un tie vienmēr tiek izstaroti atsevišķi. Nekad nenotiek, ka vienlaikus tiek atklāti divi fotoni ar vienādu viļņa garumu. "Tas mums norāda, ka šos fotonus nevar nejauši iegūt materiālā, bet ka volframa diselenīda paraugā ir jābūt noteiktiem punktiem, kas viens pēc otra rada daudzus no šiem fotoniem," skaidro profesors Florians Libišs, kura pētījumi koncentrējas uz diviem. -izmēru materiāli.

Lai izskaidrotu šo efektu, ir nepieciešama detalizēta izpratne par materiālā esošo elektronu uzvedību kvantu fiziskajā līmenī. Volframa diselenīda elektroni var ieņemt dažādus enerģijas stāvokļus. Ja elektrons pāriet no augstas enerģijas stāvokļa uz zemākas enerģijas stāvokli, tiek emitēts fotons. Tomēr šis lēciens uz zemāku enerģiju ne vienmēr ir atļauts: elektronam ir jāievēro noteikti likumi - impulsa un leņķiskā impulsa saglabāšana.

Šo saglabāšanas likumu dēļ elektronam augstas enerģijas kvantu stāvoklī ir jāpaliek tur, ja vien noteiktas materiāla nepilnības neļauj enerģijas stāvokļiem mainīties. "Volframa diselenīda slānis nekad nav ideāls. Dažās vietās var trūkt viena vai vairāku selēna atomu,” saka Lukass Linharts. "Tas arī maina elektronu stāvokļu enerģiju šajā reģionā."

Turklāt materiāla slānis nav ideāla plakne. Tāpat kā sega, kas saburzās, izklājot virs spilvena, volframa diselenīds lokāli stiepjas, kad materiāla slānis tiek piekārts uz mazām atbalsta konstrukcijām. Šie mehāniskie spriegumi ietekmē arī elektroniskās enerģijas stāvokļus.

“Materiālu defektu un lokālo deformāciju mijiedarbība ir sarežģīta. Taču tagad mums ir izdevies abus efektus simulēt datorā,” stāsta Lukass Linharts. "Un izrādās, ka tikai šo efektu kombinācija var izskaidrot dīvainos gaismas efektus."

Tajos materiāla mikroskopiskajos reģionos, kur defekti un virsmas deformācijas parādās kopā, elektronu enerģijas līmenis mainās no augsta uz zemu enerģijas stāvokli un izstaro fotonu. Kvantu fizikas likumi neļauj diviem elektroniem vienlaikus atrasties tieši tādā pašā stāvoklī, un tāpēc elektroniem šis process ir jāiziet pa vienam. Rezultātā fotoni tiek izstaroti arī pa vienam.

Tajā pašā laikā materiāla mehāniskā deformācija palīdz uzkrāt lielu skaitu elektronu defekta tuvumā, lai pēc tam, kad pēdējais ir mainījis savu stāvokli un izstarots fotons, ir viegli pieejams cits elektrons, kas ieiet.

Šis rezultāts parāda, ka īpaši plāni 2-D materiāli paver pilnīgi jaunas iespējas materiālu zinātnē.