Когда на тонкий слой диселенида вольфрама подается ток, он начинает светиться весьма необычным образом. В дополнение к обычному свету, который могут излучать другие полупроводниковые материалы, диселенид вольфрама также производит совершенно особый тип яркого квантового света, который создается только в определенных точках материала. Он состоит из серии фотонов, которые всегда излучаются один за другим, а не парами или группами. Этот эффект антигруппировки идеально подходит для экспериментов в области квантовой информации и квантовой криптографии, где требуются одиночные фотоны. Однако на протяжении многих лет это излучение оставалось загадкой.

Исследователи из Венского технического университета теперь объяснили это: тонкое взаимодействие одиночных атомных дефектов в материале и механическое напряжение ответственны за этот квантовый световой эффект. Компьютерное моделирование показывает, как электроны перемещаются в определенные места материала, где они захватываются дефектом, теряют энергию и испускают фотон. Решение загадки квантового света было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Толщина всего три атома

Диселенид вольфрама — двумерный материал, образующий чрезвычайно тонкие слои. Такие слои имеют толщину всего три атомных слоя, с атомами вольфрама посередине и атомами селена внизу и вверху. «Если к слою подается энергия, например, путем подачи электрического напряжения или облучения его светом подходящей длины волны, он начинает светиться», — объясняет Лукас Линхарт из Института теоретической физики Венского технического университета. «В этом нет ничего необычного, многие материалы так делают. Однако при детальном анализе света, излучаемого диселенидом вольфрама, помимо обычного света был обнаружен особый тип света с очень необычными свойствами».

Этот квантовый свет особой природы состоит из фотонов определенной длины волны, и они всегда излучаются индивидуально. Никогда не бывает, чтобы два фотона одной длины волны были обнаружены одновременно. «Это говорит нам о том, что эти фотоны не могут рождаться в материале случайным образом, но в образце диселенида вольфрама должны быть определенные точки, которые производят множество таких фотонов один за другим», — объясняет профессор Флориан Либиш, чьи исследования сосредоточены на двух -размерные материалы.

Объяснение этого эффекта требует детального понимания поведения электронов в материале на квантово-физическом уровне. Электроны в диселениде вольфрама могут находиться в разных энергетических состояниях. Если электрон переходит из состояния с высокой энергией в состояние с меньшей энергией, испускается фотон. Однако этот скачок к более низкой энергии не всегда допускается: электрон должен подчиняться определенным законам — сохранению импульса и углового момента.

Из-за этих законов сохранения электрон в высокоэнергетическом квантовом состоянии должен оставаться там, если только определенные недостатки материала не позволяют энергетическим состояниям измениться. «Слой диселенида вольфрама никогда не бывает идеальным. В некоторых местах может отсутствовать один или несколько атомов селена», — говорит Лукас Линхарт. «Это также меняет энергию электронных состояний в этой области».

Более того, слой материала не является идеальной плоскостью. Подобно одеялу, которое сминается, если его разложить на подушке, диселенид вольфрама локально растягивается, когда слой материала подвешен на небольших опорных конструкциях. Эти механические напряжения также влияют на энергетические состояния электронов.

«Взаимодействие дефектов материала и локальных напряжений сложное. Однако теперь нам удалось смоделировать оба эффекта на компьютере», — говорит Лукас Линхарт. «И оказывается, что только комбинация этих эффектов может объяснить странные световые эффекты».

В тех микроскопических областях материала, где дефекты и поверхностные деформации появляются вместе, энергетические уровни электронов изменяются с высокого на низкоэнергетическое состояние и испускают фотон. Законы квантовой физики не позволяют двум электронам одновременно находиться в одном и том же состоянии, и поэтому электроны должны проходить этот процесс один за другим. В результате фотоны также испускаются один за другим.

В то же время механическое искажение материала помогает накопить большое количество электронов вблизи дефекта, так что другой электрон может легко вмешаться после того, как последний изменил свое состояние и испустил фотон.

Этот результат показывает, что ультратонкие двумерные материалы открывают совершенно новые возможности для материаловедения.