Ko na tanko plast volframovega diselenida dovedemo tok, ta začne sijati na zelo nenavaden način. Poleg običajne svetlobe, ki jo lahko oddajajo drugi polprevodniški materiali, volframov diselenid proizvaja tudi zelo posebno vrsto svetle kvantne svetlobe, ki se ustvari samo na določenih točkah materiala. Sestavljen je iz niza fotonov, ki se vedno oddajajo eden za drugim – nikoli v parih ali v skupinah. Ta učinek proti združevanju je popoln za poskuse na področju kvantnih informacij in kvantne kriptografije, kjer so potrebni posamezni fotoni. Vendar pa ta emisija že leta ostaja skrivnost.

Raziskovalci na TU na Dunaju so zdaj to pojasnili: za ta kvantni svetlobni učinek so odgovorni subtilna interakcija posameznih atomskih napak v materialu in mehanske obremenitve. Računalniške simulacije kažejo, kako se elektroni premaknejo na določena mesta v materialu, kjer jih ujame napaka, izgubijo energijo in oddajo foton. Rešitev uganke kvantne svetlobe je zdaj objavljena v Physical Review Letters.

Debel le tri atome

Volframov diselenid je dvodimenzionalni material, ki tvori izjemno tanke plasti. Takšne plasti so debele le tri atomske plasti, z atomi volframa na sredini, ki so povezani z atomi selena spodaj in zgoraj. "Če se sloju dovaja energija, na primer z uporabo električne napetosti ali z obsevanjem s svetlobo ustrezne valovne dolžine, začne sijati," pojasnjuje Lukas Linhart z Inštituta za teoretično fiziko na TU Dunaj. »To samo po sebi ni nenavadno, veliko materialov to počne. Ko pa smo podrobno analizirali svetlobo, ki jo oddaja volframov diselenid, smo poleg običajne svetlobe zaznali posebno vrsto svetlobe z zelo nenavadnimi lastnostmi.«

Ta posebna naravna kvantna svetloba je sestavljena iz fotonov določenih valovnih dolžin – in vedno se oddajajo posamezno. Nikoli se ne zgodi, da bi bila istočasno zaznana dva fotona iste valovne dolžine. "To nam pove, da ti fotoni ne morejo nastati naključno v materialu, ampak da morajo obstajati določene točke v vzorcu volframovega diselenida, ki proizvajajo veliko teh fotonov, enega za drugim," pojasnjuje profesor Florian Libisch, čigar raziskava se osredotoča na dve -dimenzionalni materiali.

Razlaga tega učinka zahteva podrobno razumevanje obnašanja elektronov v materialu na kvantni fizični ravni. Elektroni v volframovem diselenidu lahko zasedejo različna energijska stanja. Če elektron preide iz stanja visoke energije v stanje nižje energije, se odda foton. Vendar ta preskok na nižjo energijo ni vedno dovoljen: elektron se mora držati določenih zakonov – ohranjanja gibalne količine in kotne količine.

Zaradi teh ohranitvenih zakonov mora elektron v visokoenergijskem kvantnem stanju tam ostati - razen če določene nepopolnosti v materialu dovolijo spremembo energijskih stanj. »Sloj volframovega diselenida ni nikoli popoln. Ponekod morda manjka en ali več atomov selena,« pravi Lukas Linhart. "To tudi spremeni energijo elektronskih stanj v tej regiji."

Poleg tega plast materiala ni popolna ravnina. Kot odeja, ki se naguba, ko se razgrne čez blazino, se volframov diselenid lokalno raztegne, ko je plast materiala obešena na majhne podporne strukture. Te mehanske obremenitve vplivajo tudi na elektronska energijska stanja.

»Medsebojno delovanje materialnih napak in lokalnih napetosti je zapleteno. Zdaj pa nam je oba učinka uspelo simulirati na računalniku,« pravi Lukas Linhart. "In izkazalo se je, da lahko le kombinacija teh učinkov pojasni čudne svetlobne učinke."

Na tistih mikroskopskih območjih materiala, kjer se pojavijo napake in površinske napetosti skupaj, se energijske ravni elektronov spremenijo iz visokega v nizko energijsko stanje in oddajajo foton. Zakoni kvantne fizike ne dovoljujejo, da bi bila dva elektrona hkrati v popolnoma enakem stanju, zato morata elektrona skozi ta proces prestati enega za drugim. Posledično se tudi fotoni oddajajo drug za drugim.

Istočasno mehansko popačenje materiala pomaga kopičiti veliko število elektronov v bližini napake, tako da je drugi elektron takoj na voljo za vstop, potem ko je zadnji spremenil svoje stanje in oddal foton.

Ta rezultat ponazarja, da ultratanki 2-D materiali odpirajo povsem nove možnosti za znanost o materialih.