Apabila arus digunakan pada lapisan nipis tungsten diselenide, ia mula bersinar dengan cara yang sangat luar biasa. Sebagai tambahan kepada cahaya biasa, yang boleh dipancarkan oleh bahan semikonduktor lain, tungsten diselenide juga menghasilkan jenis cahaya kuantum terang yang sangat istimewa, yang dicipta hanya pada titik tertentu bahan. Ia terdiri daripada satu siri foton yang sentiasa dipancarkan satu demi satu—tidak sekali-kali berpasangan atau berkelompok. Kesan anti-tandan ini sesuai untuk eksperimen dalam bidang maklumat kuantum dan kriptografi kuantum, di mana foton tunggal diperlukan. Walau bagaimanapun, selama bertahun-tahun, pelepasan ini kekal sebagai misteri.

Penyelidik di TU Vienna kini telah menjelaskan perkara ini: Interaksi halus kecacatan atom tunggal dalam bahan dan ketegangan mekanikal bertanggungjawab untuk kesan cahaya kuantum ini. Simulasi komputer menunjukkan bagaimana elektron didorong ke tempat tertentu dalam bahan, di mana ia ditangkap oleh kecacatan, kehilangan tenaga dan memancarkan foton. Penyelesaian kepada teka-teki cahaya kuantum kini telah diterbitkan dalam Surat Kajian Fizikal.

Hanya tiga atom tebal

Tungsten diselenide ialah bahan dua dimensi yang membentuk lapisan yang sangat nipis. Lapisan sedemikian hanya tiga lapisan atom tebal, dengan atom tungsten di tengah, digabungkan dengan atom selenium di bawah dan di atas. "Jika tenaga dibekalkan ke lapisan, contohnya dengan menggunakan voltan elektrik atau dengan menyinarinya dengan cahaya dengan panjang gelombang yang sesuai, ia mula bersinar," jelas Lukas Linhart dari Institut Fizik Teori di TU Vienna. "Ini dengan sendirinya tidak luar biasa, banyak bahan melakukan itu. Walau bagaimanapun, apabila cahaya yang dipancarkan oleh tungsten diselenide dianalisis secara terperinci, sebagai tambahan kepada cahaya biasa sejenis cahaya khas dengan sifat yang sangat luar biasa telah dikesan.

Cahaya kuantum sifat istimewa ini terdiri daripada foton dengan panjang gelombang tertentu—dan ia sentiasa dipancarkan secara individu. Ia tidak pernah berlaku bahawa dua foton dengan panjang gelombang yang sama dikesan pada masa yang sama. "Ini memberitahu kita bahawa foton ini tidak boleh dihasilkan secara rawak dalam bahan, tetapi mesti ada titik tertentu dalam sampel tungsten diselenide yang menghasilkan banyak foton ini, satu demi satu, " jelas Profesor Florian Libisch, yang penyelidikannya memfokuskan pada dua -bahan berdimensi.

Menjelaskan kesan ini memerlukan pemahaman terperinci tentang kelakuan elektron dalam bahan pada tahap fizikal kuantum. Elektron dalam tungsten diselenide boleh menduduki keadaan tenaga yang berbeza. Jika elektron berubah daripada keadaan tenaga tinggi kepada keadaan tenaga lebih rendah, foton dipancarkan. Walau bagaimanapun, lompatan ini kepada tenaga yang lebih rendah tidak selalu dibenarkan: Elektron perlu mematuhi undang-undang tertentu—kekalkan momentum dan momentum sudut.

Disebabkan oleh undang-undang pemuliharaan ini, elektron dalam keadaan kuantum bertenaga tinggi mesti kekal di sana—melainkan ketidaksempurnaan tertentu dalam bahan membenarkan keadaan tenaga berubah. "Lapisan tungsten diselenide tidak pernah sempurna. Di sesetengah tempat, satu atau lebih atom selenium mungkin hilang, "kata Lukas Linhart. "Ini juga mengubah tenaga keadaan elektron di rantau ini."

Selain itu, lapisan material bukanlah satah yang sempurna. Seperti selimut yang berkedut apabila dibentangkan di atas bantal, tungsten diselenide meregang secara setempat apabila lapisan bahan digantung pada struktur sokongan kecil. Tegasan mekanikal ini juga mempunyai kesan ke atas keadaan tenaga elektronik.

“Interaksi kecacatan material dan strain tempatan adalah rumit. Bagaimanapun, kami kini telah berjaya mensimulasikan kedua-dua kesan pada komputer,” kata Lukas Linhart. "Dan ternyata hanya gabungan kesan ini boleh menjelaskan kesan cahaya yang aneh."

Di kawasan mikroskopik bahan tersebut, di mana kecacatan dan ketegangan permukaan muncul bersama-sama, tahap tenaga elektron berubah daripada keadaan tenaga tinggi kepada rendah dan memancarkan foton. Undang-undang fizik kuantum tidak membenarkan dua elektron berada dalam keadaan yang sama pada masa yang sama, dan oleh itu, elektron mesti menjalani proses ini satu demi satu. Akibatnya, foton dipancarkan satu demi satu, juga.

Pada masa yang sama, herotan mekanikal bahan membantu mengumpul sejumlah besar elektron di sekitar kecacatan supaya elektron lain sedia untuk masuk selepas yang terakhir telah menukar keadaannya dan mengeluarkan foton.

Keputusan ini menggambarkan bahawa bahan 2-D ultranipis membuka kemungkinan baharu sepenuhnya untuk sains bahan.