Quando uma corrente é aplicada a uma fina camada de disseleneto de tungstênio, ela começa a brilhar de uma forma altamente incomum. Além da luz comum, que outros materiais semicondutores podem emitir, o disseleneto de tungstênio também produz um tipo muito especial de luz quântica brilhante, criada apenas em pontos específicos do material. Consiste em uma série de fótons que são sempre emitidos um por um – nunca em pares ou em grupos. Este efeito anti-agrupamento é perfeito para experimentos no campo da informação quântica e criptografia quântica, onde são necessários fótons únicos. No entanto, durante anos, esta emissão permaneceu um mistério.

Pesquisadores da TU Viena explicaram agora isso: uma interação sutil de defeitos atômicos únicos no material e deformação mecânica são responsáveis ​​por esse efeito de luz quântica. Simulações computacionais mostram como os elétrons são conduzidos para locais específicos do material, onde são capturados por um defeito, perdem energia e emitem um fóton. A solução para o quebra-cabeça da luz quântica foi agora publicada na Physical Review Letters.

Apenas três átomos de espessura

O disseleneto de tungstênio é um material bidimensional que forma camadas extremamente finas. Essas camadas têm apenas três camadas atômicas de espessura, com átomos de tungstênio no meio, acoplados a átomos de selênio abaixo e acima. “Se a energia for fornecida à camada, por exemplo, aplicando uma tensão elétrica ou irradiando-a com luz de comprimento de onda adequado, ela começa a brilhar”, explica Lukas Linhart, do Instituto de Física Teórica da TU Viena. “Isso por si só não é incomum, muitos materiais fazem isso. No entanto, quando a luz emitida pelo disseleneto de tungstênio foi analisada detalhadamente, além da luz comum, foi detectado um tipo especial de luz com propriedades muito incomuns.”

Esta luz quântica de natureza especial consiste em fótons de comprimentos de onda específicos – e eles são sempre emitidos individualmente. Nunca acontece que dois fótons do mesmo comprimento de onda sejam detectados ao mesmo tempo. “Isso nos diz que esses fótons não podem ser produzidos aleatoriamente no material, mas que deve haver certos pontos na amostra de disseleneto de tungstênio que produzem muitos desses fótons, um após o outro”, explica o professor Florian Libisch, cuja pesquisa se concentra em dois materiais dimensionais.

Explicar esse efeito requer uma compreensão detalhada do comportamento dos elétrons no material no nível físico quântico. Os elétrons no disseleneto de tungstênio podem ocupar diferentes estados de energia. Se um elétron passa de um estado de alta energia para um estado de menor energia, um fóton é emitido. No entanto, este salto para uma energia mais baixa nem sempre é permitido: o electrão tem de aderir a certas leis – a conservação do momento e do momento angular.

Devido a estas leis de conservação, um electrão num estado quântico de alta energia deve permanecer lá – a menos que certas imperfeições no material permitam que os estados de energia mudem. “Uma camada de disseleneto de tungstênio nunca é perfeita. Em alguns locais podem faltar um ou mais átomos de selênio”, diz Lukas Linhart. “Isso também altera a energia dos estados dos elétrons nesta região.”

Além disso, a camada de material não é um plano perfeito. Como um cobertor que enruga quando espalhado sobre um travesseiro, o disseleneto de tungstênio se estica localmente quando a camada de material é suspensa em pequenas estruturas de suporte. Essas tensões mecânicas também afetam os estados de energia eletrônica.

“A interação de defeitos materiais e deformações locais é complicada. No entanto, conseguimos agora simular ambos os efeitos num computador”, afirma Lukas Linhart. “E acontece que apenas a combinação desses efeitos pode explicar os estranhos efeitos de luz.”

Nas regiões microscópicas do material, onde defeitos e deformações superficiais aparecem juntos, os níveis de energia dos elétrons mudam de um estado de alta para um estado de baixa energia e emitem um fóton. As leis da física quântica não permitem que dois elétrons estejam exatamente no mesmo estado ao mesmo tempo e, portanto, os elétrons devem passar por esse processo um por um. Como resultado, os fótons também são emitidos um por um.

Ao mesmo tempo, a distorção mecânica do material ajuda a acumular um grande número de elétrons nas proximidades do defeito, de modo que outro elétron esteja prontamente disponível para intervir após o último ter mudado de estado e emitido um fóton.

Este resultado ilustra que materiais 2-D ultrafinos abrem possibilidades completamente novas para a ciência dos materiais.