Wanneer er stroom wordt aangelegd op een dunne laag wolfraamdiselenide, begint deze op een hoogst ongebruikelijke manier te gloeien. Naast gewoon licht, dat andere halfgeleidermaterialen kunnen uitzenden, produceert wolfraamdiselenide ook een heel speciaal soort helder kwantumlicht, dat alleen op specifieke punten van het materiaal ontstaat. Het bestaat uit een reeks fotonen die altijd één voor één worden uitgezonden – nooit in paren of in bosjes. Dit anti-bunching-effect is perfect voor experimenten op het gebied van kwantuminformatie en kwantumcryptografie, waarbij afzonderlijke fotonen nodig zijn. Deze emissie is echter jarenlang een mysterie gebleven.

Onderzoekers van de TU Wenen hebben dit nu uitgelegd: een subtiele interactie van afzonderlijke atomaire defecten in het materiaal en mechanische spanning zijn verantwoordelijk voor dit kwantumlichteffect. Computersimulaties laten zien hoe de elektronen naar specifieke plekken in het materiaal worden gedreven, waar ze worden opgevangen door een defect, energie verliezen en een foton uitzenden. De oplossing van de kwantumlichtpuzzel is nu gepubliceerd in Physical Review Letters.

Slechts drie atomen dik

Wolfraamdiselenide is een tweedimensionaal materiaal dat extreem dunne lagen vormt. Dergelijke lagen zijn slechts drie atoomlagen dik, met wolfraamatomen in het midden, gekoppeld aan seleniumatomen eronder en erboven. “Als er energie aan de laag wordt toegevoerd, bijvoorbeeld door het aanleggen van een elektrische spanning of door deze te bestralen met licht met een geschikte golflengte, begint deze te schijnen”, legt Lukas Linhart van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wenen uit. “Op zich is dit niet ongebruikelijk, veel materialen doen dat. Toen het licht van wolfraamdiselenide echter in detail werd geanalyseerd, werd naast gewoon licht een speciaal soort licht met zeer ongebruikelijke eigenschappen gedetecteerd.”

Dit bijzondere aardkwantumlicht bestaat uit fotonen met specifieke golflengten – en ze worden altijd individueel uitgezonden. Het komt nooit voor dat twee fotonen met dezelfde golflengte tegelijkertijd worden gedetecteerd. “Dit vertelt ons dat deze fotonen niet willekeurig in het materiaal kunnen worden geproduceerd, maar dat er bepaalde punten in het monster van wolfraamdiselenide moeten zijn die veel van deze fotonen na elkaar produceren”, legt professor Florian Libisch uit, wiens onderzoek zich richt op twee -dimensionale materialen.

Het verklaren van dit effect vereist een gedetailleerd begrip van het gedrag van de elektronen in het materiaal op kwantumfysisch niveau. Elektronen in wolfraamdiselenide kunnen verschillende energietoestanden innemen. Als een elektron van een toestand met hoge energie naar een toestand met lagere energie verandert, wordt een foton uitgezonden. Deze sprong naar een lagere energie is echter niet altijd toegestaan: het elektron moet zich aan bepaalde wetten houden: het behoud van momentum en impulsmoment.

Vanwege deze behoudswetten moet een elektron in een kwantumtoestand met hoge energie daar blijven – tenzij bepaalde onvolkomenheden in het materiaal ervoor zorgen dat de energietoestanden veranderen. “Een laag wolfraamdiselenide is nooit perfect. Op sommige plaatsen ontbreken mogelijk een of meer seleniumatomen”, zegt Lukas Linhart. “Dit verandert ook de energie van de elektronentoestanden in deze regio.”

Bovendien is de materiaallaag geen perfect vlak. Net als een deken die kreukt wanneer deze over een kussen wordt uitgespreid, rekt wolfraamdiselenide plaatselijk uit wanneer de materiaallaag op kleine steunconstructies wordt opgehangen. Deze mechanische spanningen hebben ook een effect op de elektronische energietoestanden.

“De interactie tussen materiaalfouten en lokale spanningen is ingewikkeld. Nu zijn we er echter in geslaagd beide effecten op een computer te simuleren”, zegt Lukas Linhart. “En het blijkt dat alleen de combinatie van deze effecten de vreemde lichteffecten kan verklaren.”

In die microscopische delen van het materiaal, waar defecten en oppervlaktespanningen samen voorkomen, veranderen de energieniveaus van de elektronen van een hoge naar een lage energietoestand en zenden ze een foton uit. De wetten van de kwantumfysica staan ​​niet toe dat twee elektronen zich tegelijkertijd in precies dezelfde toestand bevinden, en daarom moeten de elektronen dit proces één voor één ondergaan. Hierdoor worden de fotonen ook één voor één uitgezonden.

Tegelijkertijd helpt de mechanische vervorming van het materiaal om een ​​groot aantal elektronen in de buurt van het defect te accumuleren, zodat een ander elektron direct beschikbaar is om in te grijpen nadat het laatste van toestand is veranderd en een foton heeft uitgezonden.

Dit resultaat illustreert dat ultradunne 2D-materialen compleet nieuwe mogelijkheden openen voor de materiaalkunde.