Keď sa prúd aplikuje na tenkú vrstvu diselenidu volfrámu, začne žiariť veľmi nezvyčajným spôsobom. Okrem bežného svetla, ktoré môžu vyžarovať iné polovodičové materiály, produkuje diselenid volfrámu aj veľmi špeciálny typ jasného kvantového svetla, ktoré sa vytvára len v špecifických bodoch materiálu. Pozostáva zo série fotónov, ktoré sú vždy emitované jeden po druhom – nikdy nie v pároch alebo vo zväzkoch. Tento efekt proti zhlukovaniu je ideálny pre experimenty v oblasti kvantových informácií a kvantovej kryptografie, kde sú potrebné jednotlivé fotóny. Po celé roky však táto emisia zostávala záhadou.

Vedci z TU Viedeň to teraz vysvetlili: Za tento efekt kvantového svetla je zodpovedná jemná interakcia jednotlivých atómových defektov v materiáli a mechanické napätie. Počítačové simulácie ukazujú, ako sú elektróny hnané na konkrétne miesta v materiáli, kde sú zachytené defektom, strácajú energiu a emitujú fotón. Riešenie kvantovej svetelnej hádanky bolo teraz publikované vo Physical Review Letters.

Hrúbka iba troch atómov

Diselenid volfrámu je dvojrozmerný materiál, ktorý tvorí extrémne tenké vrstvy. Takéto vrstvy majú hrúbku iba troch atómových vrstiev, s atómami volfrámu v strede, spojenými s atómami selénu pod a nad. „Ak sa vrstve dodá energia, napríklad privedením elektrického napätia alebo ožiarením svetlom vhodnej vlnovej dĺžky, začne svietiť,“ vysvetľuje Lukas Linhart z Ústavu teoretickej fyziky TU Viedeň. „To samo o sebe nie je nezvyčajné, robí to veľa materiálov. Keď sa však podrobne analyzovalo svetlo vyžarované diselenidom volfrámu, okrem bežného svetla sa zistil aj špeciálny typ svetla s veľmi neobvyklými vlastnosťami.

Toto kvantové svetlo špeciálnej prírody pozostáva z fotónov špecifických vlnových dĺžok – a sú vždy vyžarované jednotlivo. Nikdy sa nestane, že by boli súčasne detekované dva fotóny rovnakej vlnovej dĺžky. „To nám hovorí, že tieto fotóny nemôžu byť v materiáli produkované náhodne, ale že vo vzorke diselenidu volfrámu musia byť určité body, ktoré produkujú veľa týchto fotónov, jeden po druhom,“ vysvetľuje profesor Florian Libisch, ktorého výskum sa zameriava na dva. -rozmerné materiály.

Vysvetlenie tohto efektu si vyžaduje podrobné pochopenie správania sa elektrónov v materiáli na kvantovej fyzikálnej úrovni. Elektróny v diselenide volfrámu môžu zaberať rôzne energetické stavy. Ak sa elektrón zmení zo stavu s vysokou energiou do stavu s nižšou energiou, vyžiari sa fotón. Tento skok na nižšiu energiu však nie je vždy povolený: Elektrón musí dodržiavať určité zákony – zachovanie hybnosti a momentu hybnosti.

Kvôli týmto zákonom zachovania tam elektrón vo vysokoenergetickom kvantovom stave musí zostať – pokiaľ určité nedokonalosti v materiáli neumožňujú zmenu energetických stavov. „Vrstva diselenidu volfrámu nie je nikdy dokonalá. Na niektorých miestach môže chýbať jeden alebo viac atómov selénu,“ hovorí Lukas Linhart. "To tiež mení energiu elektrónových stavov v tejto oblasti."

Navyše, vrstva materiálu nie je dokonalá rovina. Podobne ako prikrývka, ktorá sa pokrčí, keď sa rozloží na vankúš, diselenid volfrámu sa lokálne natiahne, keď je vrstva materiálu zavesená na malých podporných štruktúrach. Tieto mechanické napätia majú tiež vplyv na stavy elektronickej energie.

„Interakcia defektov materiálu a lokálnych deformácií je komplikovaná. Teraz sa nám však podarilo simulovať oba efekty na počítači,“ hovorí Lukas Linhart. "A ukázalo sa, že iba kombinácia týchto efektov môže vysvetliť zvláštne svetelné efekty."

V tých mikroskopických oblastiach materiálu, kde sa defekty a povrchové deformácie objavujú spoločne, sa energetické hladiny elektrónov menia z vysokého na nízkoenergetický stav a emitujú fotón. Zákony kvantovej fyziky nedovoľujú, aby boli dva elektróny v rovnakom stave súčasne, a preto musia elektróny podstúpiť tento proces jeden po druhom. Výsledkom je, že fotóny sú emitované jeden po druhom.

Mechanické skreslenie materiálu zároveň napomáha akumulovať veľké množstvo elektrónov v blízkosti defektu, takže ďalší elektrón je ľahko dostupný, aby zasiahol po tom, čo posledný zmení svoj stav a vyžiari fotón.

Tento výsledok ilustruje, že ultratenké 2-D materiály otvárajú úplne nové možnosti materiálovej vedy.