Kiedy prąd zostanie przyłożony do cienkiej warstwy diselenku wolframu, zaczyna ona świecić w bardzo nietypowy sposób. Oprócz zwykłego światła, które mogą emitować inne materiały półprzewodnikowe, diselenek wolframu wytwarza również bardzo szczególny rodzaj jasnego światła kwantowego, które powstaje tylko w określonych punktach materiału. Składa się z serii fotonów, które są zawsze emitowane jeden po drugim – nigdy w parach lub w pęczkach. Ten efekt przeciwdziałający pęczeniu doskonale sprawdza się w eksperymentach z zakresu informacji kwantowej i kryptografii kwantowej, gdzie potrzebne są pojedyncze fotony. Jednak przez lata emisja ta pozostawała tajemnicą.

Naukowcy z TU Vienna wyjaśnili to teraz: za ten kwantowy efekt świetlny odpowiada subtelna interakcja pojedynczych defektów atomowych w materiale i naprężenia mechaniczne. Symulacje komputerowe pokazują, w jaki sposób elektrony są kierowane do określonych miejsc w materiale, gdzie są wychwytywane przez defekt, tracą energię i emitują foton. Rozwiązanie zagadki światła kwantowego zostało właśnie opublikowane w czasopiśmie Physical Review Letters.

Grubość tylko trzech atomów

Diselenek wolframu to dwuwymiarowy materiał tworzący niezwykle cienkie warstwy. Takie warstwy mają grubość tylko trzech warstw atomowych, z atomami wolframu w środku, połączonymi z atomami selenu poniżej i powyżej. „Jeśli do warstwy dostarczymy energię, na przykład poprzez przyłożenie napięcia elektrycznego lub napromieniowanie światłem o odpowiedniej długości fali, zaczyna ona świecić” – wyjaśnia Lukas Linhart z Instytutu Fizyki Teoretycznej TU w Wiedniu. „To samo w sobie nie jest niczym niezwykłym, wiele materiałów tak robi. Jednak po szczegółowej analizie światła emitowanego przez diselenek wolframu oprócz zwykłego światła wykryto specjalny rodzaj światła o bardzo nietypowych właściwościach.

To szczególne światło kwantowe natury składa się z fotonów o określonych długościach fal – i są one zawsze emitowane indywidualnie. Nigdy nie zdarza się, aby jednocześnie wykryto dwa fotony o tej samej długości fali. „To nam mówi, że fotony te nie mogą być wytwarzane w materiale w sposób losowy, ale muszą istnieć pewne punkty w próbce diselenku wolframu, które wytwarzają wiele z tych fotonów, jeden po drugim” – wyjaśnia profesor Florian Libisch, którego badania skupiają się na dwóch -materiały wymiarowe.

Wyjaśnienie tego efektu wymaga szczegółowego zrozumienia zachowania elektronów w materiale na poziomie fizyki kwantowej. Elektrony w diselenku wolframu mogą zajmować różne stany energetyczne. Jeżeli elektron przechodzi ze stanu o wyższej energii do stanu o niższej energii, emitowany jest foton. Jednak ten skok do niższej energii nie zawsze jest dozwolony: elektron musi przestrzegać pewnych praw – zachowania pędu i momentu pędu.

Ze względu na te prawa zachowania elektron w wysokoenergetycznym stanie kwantowym musi tam pozostać, chyba że pewne niedoskonałości materiału pozwalają na zmianę stanów energetycznych. „Warstwa diselenku wolframu nigdy nie jest idealna. W niektórych miejscach może brakować jednego lub więcej atomów selenu” – mówi Lukas Linhart. „To również zmienia energię stanów elektronowych w tym regionie”.

Co więcej, warstwa materiału nie jest idealną płaszczyzną. Podobnie jak koc, który marszczy się po nałożeniu na poduszkę, diselenek wolframu rozciąga się lokalnie, gdy warstwa materiału jest zawieszona na małych konstrukcjach nośnych. Te naprężenia mechaniczne mają również wpływ na stany energii elektronów.

„Współpraca defektów materiałowych i lokalnych odkształceń jest skomplikowana. Jednak udało nam się teraz zasymulować oba efekty na komputerze” – mówi Lukas Linhart. „I okazuje się, że tylko kombinacja tych efektów może wyjaśnić dziwne efekty świetlne”.

W tych mikroskopijnych obszarach materiału, gdzie defekty i odkształcenia powierzchniowe pojawiają się razem, poziomy energii elektronów zmieniają się z wysokiego na niski stan energetyczny i emitują foton. Prawa fizyki kwantowej nie pozwalają, aby dwa elektrony znajdowały się w dokładnie tym samym stanie w tym samym czasie, dlatego elektrony muszą przejść ten proces jeden po drugim. W rezultacie fotony również są emitowane jeden po drugim.

Jednocześnie mechaniczne odkształcenie materiału pomaga akumulować dużą liczbę elektronów w pobliżu defektu, dzięki czemu łatwo jest wkroczyć kolejny elektron, gdy ostatni zmieni swój stan i wyemituje foton.

Wynik ten pokazuje, że ultracienkie materiały 2-D otwierają zupełnie nowe możliwości w nauce o materiałach.