Kur një rrymë aplikohet në një shtresë të hollë diselenidi tungsteni, ajo fillon të shkëlqejë në një mënyrë shumë të pazakontë. Përveç dritës së zakonshme, të cilën materialet e tjera gjysmëpërçuese mund të emetojnë, diselenidi i tungstenit prodhon gjithashtu një lloj drite kuantike shumë të veçantë, e cila krijohet vetëm në pika të veçanta të materialit. Ai përbëhet nga një seri fotonesh që emetohen gjithmonë një nga një - asnjëherë në çifte apo tufa. Ky efekt kundër grumbullimit është i përsosur për eksperimente në fushën e informacionit kuantik dhe kriptografisë kuantike, ku kërkohen fotone të vetme. Megjithatë, për vite me radhë, ky emision ka mbetur një mister.

Studiuesit në TU Vjenë e kanë shpjeguar tani këtë: Një ndërveprim delikate i defekteve të vetme atomike në material dhe tendosje mekanike janë përgjegjëse për këtë efekt të dritës kuantike. Simulimet kompjuterike tregojnë se si elektronet drejtohen në vende specifike të materialit, ku kapen nga një defekt, humbasin energji dhe lëshojnë një foton. Zgjidhja e enigmës së dritës kuantike tani është publikuar në Physical Review Letters.

Vetëm tre atome të trasha

Diselenidi i tungstenit është një material dydimensional që formon shtresa jashtëzakonisht të holla. Shtresa të tilla janë vetëm tre shtresa atomike të trasha, me atome tungsteni në mes, të shoqëruar me atomet e selenit poshtë dhe sipër. "Nëse shtresa i furnizohet me energji, për shembull duke aplikuar një tension elektrik ose duke e rrezatuar atë me dritë të një gjatësi vale të përshtatshme, ajo fillon të shkëlqejë," shpjegon Lukas Linhart nga Instituti i Fizikës Teorike në TU Vjenë. “Kjo në vetvete nuk është e pazakontë, shumë materiale e bëjnë këtë. Megjithatë, kur drita e emetuar nga diselenidi i tungstenit u analizua në detaje, përveç dritës së zakonshme u zbulua një lloj i veçantë drite me veti shumë të pazakonta.

Kjo dritë kuantike e natyrës së veçantë përbëhet nga fotone me gjatësi vale specifike - dhe ato gjithmonë emetohen individualisht. Nuk ndodh kurrë që dy fotone me të njëjtën gjatësi vale të zbulohen në të njëjtën kohë. "Kjo na tregon se këto fotone nuk mund të prodhohen rastësisht në material, por se duhet të ketë pika të caktuara në kampionin e diselenidit të tungstenit që prodhojnë shumë nga këto fotone, njëri pas tjetrit," shpjegon profesori Florian Libisch, kërkimi i të cilit fokusohet në dy. -materiale dimensionale.

Shpjegimi i këtij efekti kërkon kuptim të hollësishëm të sjelljes së elektroneve në material në një nivel fizik kuantik. Elektronet në diselenidin e tungstenit mund të zënë gjendje të ndryshme energjetike. Nëse një elektron ndryshon nga një gjendje me energji të lartë në një gjendje me energji më të ulët, një foton emetohet. Megjithatë, ky kërcim drejt një energjie më të ulët nuk lejohet gjithmonë: elektroni duhet t'u përmbahet ligjeve të caktuara - ruajtjen e momentit dhe momentit këndor.

Për shkak të këtyre ligjeve të ruajtjes, një elektron në një gjendje kuantike me energji të lartë duhet të mbetet atje - përveç nëse disa papërsosmëri në material lejojnë që gjendjet e energjisë të ndryshojnë. “Një shtresë diselenidi tungsteni nuk është kurrë e përsosur. Në disa vende, një ose më shumë atome seleniumi mund të mungojnë”, thotë Lukas Linhart. "Kjo gjithashtu ndryshon energjinë e gjendjeve të elektroneve në këtë rajon."

Për më tepër, shtresa materiale nuk është një plan perfekt. Ashtu si një batanije që rrudhet kur shtrihet mbi një jastëk, diselenidi i tungstenit shtrihet lokalisht kur shtresa e materialit është e varur në struktura të vogla mbështetëse. Këto sforcime mekanike kanë gjithashtu një efekt në gjendjet e energjisë elektronike.

“Ndërveprimi i defekteve materiale dhe sforcimeve lokale është i ndërlikuar. Megjithatë, tani kemi arritur të simulojmë të dy efektet në një kompjuter,” thotë Lukas Linhart. "Dhe rezulton se vetëm kombinimi i këtyre efekteve mund të shpjegojë efektet e çuditshme të dritës."

Në ato rajone mikroskopike të materialit, ku defektet dhe tendosjet sipërfaqësore shfaqen së bashku, nivelet e energjisë së elektroneve ndryshojnë nga një gjendje e lartë në një gjendje të ulët të energjisë dhe lëshojnë një foton. Ligjet e fizikës kuantike nuk lejojnë që dy elektrone të jenë saktësisht në të njëjtën gjendje në të njëjtën kohë, dhe për këtë arsye, elektronet duhet t'i nënshtrohen këtij procesi një nga një. Si rezultat, fotonet emetohen një nga një gjithashtu.

Në të njëjtën kohë, shtrembërimi mekanik i materialit ndihmon në grumbullimin e një numri të madh elektronesh në afërsi të defektit, në mënyrë që një elektron tjetër të jetë lehtësisht i disponueshëm për të hyrë pasi i fundit të ketë ndryshuar gjendjen e tij dhe të lëshojë një foton.

Ky rezultat ilustron se materialet ultra të holla 2-D hapin mundësi krejtësisht të reja për shkencën e materialeve.