Кога ќе се нанесе струја на тенок слој од волфрам дизеленид, тој почнува да свети на многу необичен начин. Покрај обичната светлина, која другите полупроводнички материјали можат да ја емитуваат, волфрам дизеленидот исто така произведува многу посебен вид на светла квантна светлина, која се создава само на одредени точки од материјалот. Се состои од низа фотони кои секогаш се емитуваат еден по еден - никогаш во парови или во гроздови. Овој ефект против собирање е совршен за експерименти во областа на квантните информации и квантната криптографија, каде што се потребни единечни фотони. Сепак, со години оваа емисија остана мистерија.

Истражувачите од ТУ Виена сега го објаснија ова: суптилна интеракција на единечни атомски дефекти во материјалот и механичкиот напор се одговорни за овој квантно светлосен ефект. Компјутерските симулации покажуваат како електроните се придвижуваат до одредени места во материјалот, каде што се заробени од дефект, губат енергија и испуштаат фотон. Решението на загатката со квантна светлина сега е објавено во Physical Review Letters.

Дебели само три атоми

Волфрам дизеленидот е дводимензионален материјал кој формира исклучително тенки слоеви. Таквите слоеви се дебели само три атомски слоеви, со атоми на волфрам во средината, споени со атомите на селен под и над. „Ако се доставува енергија на слојот, на пример со примена на електричен напон или со зрачење со светлина со соодветна бранова должина, тој почнува да свети“, објаснува Лукас Линхарт од Институтот за теоретска физика при TU Виена. „Ова само по себе не е невообичаено, многу материјали го прават тоа. Меѓутоа, кога светлината емитирана од волфрам дизеленидот била детално анализирана, покрај обичната светлина, бил откриен и посебен вид светлина со многу необични својства.

Оваа посебна природа квантна светлина се состои од фотони со специфични бранови должини - и тие секогаш се емитуваат поединечно. Никогаш не се случува два фотони со иста бранова должина да се детектираат во исто време. „Ова ни кажува дека овие фотони не можат да се произведат случајно во материјалот, но дека мора да има одредени точки во примерокот од волфрам дизеленид кои произведуваат многу од овие фотони, еден по друг“, објаснува професорот Флоријан Либиш, чие истражување се фокусира на две -димензионални материјали.

Објаснувањето на овој ефект бара детално разбирање на однесувањето на електроните во материјалот на квантно физичко ниво. Електроните во волфрам дизеленидот можат да заземаат различни енергетски состојби. Ако електрон премине од состојба на висока енергија во состојба со пониска енергија, се емитува фотон. Сепак, овој скок до помала енергија не е секогаш дозволен: електронот мора да се придржува до одредени закони - зачувување на импулсот и аголниот момент.

Поради овие закони за зачувување, електрон во високоенергетска квантна состојба мора да остане таму - освен ако одредени несовршености во материјалот дозволуваат промена на енергетските состојби. „Волфрам дисленидниот слој никогаш не е совршен. На некои места, еден или повеќе атоми на селен може да недостасуваат“, вели Лукас Линхарт. „Ова ја менува и енергијата на електронските состојби во овој регион“.

Покрај тоа, материјалниот слој не е совршена рамнина. Како прекривка што се збрчка кога се шири преку перница, волфрамово дизеленидот се протега локално кога материјалниот слој е суспендиран на мали потпорни структури. Овие механички напрегања имаат влијание и врз електронските енергетски состојби.

„Интеракцијата на материјалните дефекти и локалните напрегања е комплицирана. Сепак, сега успеавме да ги симулираме двата ефекти на компјутер“, вели Лукас Линхарт. „И излегува дека само комбинацијата од овие ефекти може да ги објасни чудните светлосни ефекти“.

Во оние микроскопски региони на материјалот, каде што дефектите и површинските напрегања се појавуваат заедно, енергетските нивоа на електроните се менуваат од состојба на висока во ниска енергија и испуштаат фотон. Законите на квантната физика не дозволуваат два електрони да бидат во точно иста состојба во исто време, и затоа, електроните мора да се подложат на овој процес еден по еден. Како резултат на тоа, фотоните се емитуваат еден по еден, исто така.

Во исто време, механичкото искривување на материјалот помага да се акумулира голем број електрони во близина на дефектот, така што друг електрон е лесно достапен за да влезе откако последниот ќе ја промени состојбата и ќе испушти фотон.

Овој резултат илустрира дека ултратенките 2-Д материјали отвораат сосема нови можности за науката за материјалите.