Када се струја примени на танак слој волфрам диселенида, он почиње да сија на веома необичан начин. Поред обичне светлости, коју други полупроводнички материјали могу да емитују, волфрам диселенид такође производи веома посебан тип јарке квантне светлости, која се ствара само на одређеним тачкама материјала. Састоји се од низа фотона који се увек емитују један по један - никада у паровима или у групама. Овај ефекат против груписања је савршен за експерименте у области квантних информација и квантне криптографије, где су потребни појединачни фотони. Међутим, годинама је ова емисија остала мистерија.

Истраживачи са ТУ Беч су сада објаснили ово: суптилна интеракција појединачних атомских дефеката у материјалу и механичког напрезања одговорни су за овај квантни светлосни ефекат. Компјутерске симулације показују како се електрони покрећу на одређена места у материјалу, где бивају заробљени дефектом, губе енергију и емитују фотон. Решење загонетке квантне светлости је сада објављено у Пхисицал Ревиев Леттерс.

Само три атома дебљине

Волфрам диселенид је дводимензионални материјал који формира изузетно танке слојеве. Такви слојеви су дебели само три атомска слоја, са атомима волфрама у средини, спојеним са атомима селена испод и изнад. „Ако се енергија доводи у слој, на пример применом електричног напона или зрачењем светлошћу одговарајуће таласне дужине, он почиње да сија“, објашњава Лукас Линхарт са Института за теоријску физику ТУ Беч. „Ово само по себи није необично, многи материјали то раде. Међутим, када је светлост коју емитује волфрам диселенид детаљно анализирана, поред обичне светлости откривена је посебна врста светлости са веома необичним својствима.

Ова квантна светлост посебне природе састоји се од фотона одређених таласних дужина - и они се увек емитују појединачно. Никада се не дешава да се истовремено детектују два фотона исте таласне дужине. „Ово нам говори да се ови фотони не могу произвести насумично у материјалу, већ да морају постојати одређене тачке у узорку волфрам диселенида које производе многе од ових фотона, један за другим“, објашњава професор Флориан Либисцх, чије се истраживање фокусира на два -димензионални материјали.

Објашњење овог ефекта захтева детаљно разумевање понашања електрона у материјалу на квантном физичком нивоу. Електрони у волфрам диселениду могу заузети различита енергетска стања. Ако електрон пређе из стања високе енергије у стање ниже енергије, емитује се фотон. Међутим, овај скок на нижу енергију није увек дозвољен: електрон мора да се придржава одређених закона — очувања количине кретања и угаоног момента.

Због ових закона очувања, електрон у високоенергетском квантном стању мора да остане тамо - осим ако одређене несавршености у материјалу не дозвољавају да се енергетска стања промене. „Слој волфрам диселенида никада није савршен. На неким местима можда недостаје један или више атома селена“, каже Лукас Линхарт. "Ово такође мења енергију електронских стања у овом региону."

Штавише, материјални слој није савршена раван. Као ћебе које се набора када се рашири преко јастука, волфрамов диселенид се локално растеже када је слој материјала окачен на мале потпорне структуре. Ова механичка напрезања такође утичу на електронска енергетска стања.

„Интеракција дефеката материјала и локалних деформација је компликована. Међутим, сада смо успели да симулирамо оба ефекта на рачунару“, каже Лукас Линхарт. "И испоставило се да само комбинација ових ефеката може објаснити чудне светлосне ефекте."

У тим микроскопским деловима материјала, где се дефекти и површинска деформација појављују заједно, нивои енергије електрона се мењају из стања високе у стање ниске енергије и емитују фотон. Закони квантне физике не дозвољавају да два електрона буду у потпуно истом стању у исто време, те стога електрони морају да пролазе кроз овај процес један по један. Као резултат, фотони се такође емитују један по један.

У исто време, механичко изобличење материјала помаже да се акумулира велики број електрона у близини дефекта, тако да је други електрон лако доступан да уђе након што је последњи променио своје стање и емитовао фотон.

Овај резултат илуструје да ултратанки 2-Д материјали отварају потпуно нове могућности за науку о материјалима.