Når en strøm påføres et tynt lag av wolframdiselenid, begynner det å lyse på en svært uvanlig måte. I tillegg til vanlig lys, som andre halvledermaterialer kan avgi, produserer wolframdiselenid også en helt spesiell type sterkt kvantelys, som bare skapes på bestemte punkter av materialet. Den består av en serie fotoner som alltid sendes ut én etter én – aldri i par eller i bunter. Denne anti-bunching-effekten er perfekt for eksperimenter innen kvanteinformasjon og kvantekryptografi, der enkeltfotoner kreves. Men i årevis har dette utslippet forblitt et mysterium.

Forskere ved TU Wien har nå forklart dette: En subtil interaksjon av enkeltatomdefekter i materialet og mekanisk belastning er ansvarlig for denne kvantelyseffekten. Datasimuleringer viser hvordan elektronene drives til bestemte steder i materialet, hvor de fanges opp av en defekt, mister energi og sender ut et foton. Løsningen på kvantelyspuslespillet er nå publisert i Physical Review Letters.

Bare tre atomer tykke

Wolframdiselenid er et todimensjonalt materiale som danner ekstremt tynne lag. Slike lag er bare tre atomlag tykke, med wolframatomer i midten, koblet til selenatomer under og over. "Hvis energi tilføres laget, for eksempel ved å påføre en elektrisk spenning eller ved å bestråle det med lys med en passende bølgelengde, begynner det å skinne," forklarer Lukas Linhart fra Institute of Theoretical Physics ved TU Wien. "Dette i seg selv er ikke uvanlig, mange materialer gjør det. Men da lyset som sendes ut av wolframdiselenid ble analysert i detalj, ble det i tillegg til vanlig lys oppdaget en spesiell type lys med svært uvanlige egenskaper."

Dette spesielle naturkvantelyset består av fotoner med spesifikke bølgelengder - og de sendes alltid ut individuelt. Det skjer aldri at to fotoner med samme bølgelengde blir oppdaget samtidig. "Dette forteller oss at disse fotonene ikke kan produseres tilfeldig i materialet, men at det må være visse punkter i wolframdiselenidprøven som produserer mange av disse fotonene, den ene etter den andre," forklarer professor Florian Libisch, hvis forskning fokuserer på to -dimensjonale materialer.

Å forklare denne effekten krever detaljert forståelse av oppførselen til elektronene i materialet på et kvantefysisk nivå. Elektroner i wolframdiselenid kan oppta forskjellige energitilstander. Hvis et elektron endres fra en tilstand med høy energi til en tilstand med lavere energi, sendes det ut et foton. Imidlertid er dette hoppet til en lavere energi ikke alltid tillatt: Elektronet må følge visse lover - bevaring av momentum og vinkelmomentum.

På grunn av disse bevaringslovene må et elektron i en høyenergikvantetilstand forbli der - med mindre visse ufullkommenheter i materialet tillater at energitilstandene endres. "Et wolframdiselenidlag er aldri perfekt. Noen steder kan ett eller flere selenatomer mangle, sier Lukas Linhart. "Dette endrer også energien til elektrontilstandene i denne regionen."

Dessuten er ikke materiallaget et perfekt plan. Som et teppe som rynker når det spres over en pute, strekker wolframdiselenid seg lokalt når materiallaget er hengt opp på små støttestrukturer. Disse mekaniske påkjenningene har også en effekt på de elektroniske energitilstandene.

«Samspillet mellom materialfeil og lokale belastninger er komplisert. Imidlertid har vi nå lykkes med å simulere begge effektene på en datamaskin, sier Lukas Linhart. "Og det viser seg at bare kombinasjonen av disse effektene kan forklare de merkelige lyseffektene."

I de mikroskopiske områdene av materialet, der defekter og overflatebelastninger vises sammen, endres energinivåene til elektronene fra høy til lav energitilstand og sender ut et foton. Kvantefysikkens lover tillater ikke at to elektroner er i nøyaktig samme tilstand på samme tid, og derfor må elektronene gjennomgå denne prosessen én etter én. Som et resultat sendes fotonene ut en etter en også.

Samtidig bidrar den mekaniske forvrengningen av materialet til å akkumulere et stort antall elektroner i nærheten av defekten slik at et annet elektron er lett tilgjengelig for å trå til etter at det siste har endret tilstand og sendt ut et foton.

Dette resultatet illustrerer at ultratynne 2D-materialer åpner for helt nye muligheter for materialvitenskap.