När en ström appliceras på ett tunt lager volframdiselenid börjar det glöda på ett mycket ovanligt sätt. Utöver vanligt ljus, som andra halvledarmaterial kan avge, producerar volframdiselenid också en mycket speciell typ av starkt kvantljus, som skapas endast på specifika punkter i materialet. Den består av en serie fotoner som alltid sänds ut en efter en – aldrig i par eller i buntar. Denna anti-klumpningseffekt är perfekt för experiment inom området kvantinformation och kvantkryptografi, där enstaka fotoner krävs. Men i flera år har detta utsläpp förblivit ett mysterium.

Forskare vid TU Wien har nu förklarat detta: En subtil växelverkan mellan enskilda atomära defekter i materialet och mekaniska påfrestningar är ansvariga för denna kvantljuseffekt. Datorsimuleringar visar hur elektronerna drivs till specifika platser i materialet, där de fångas upp av en defekt, förlorar energi och avger en foton. Lösningen på kvantljuspusslet har nu publicerats i Physical Review Letters.

Endast tre atomer tjocka

Volframdiselenid är ett tvådimensionellt material som bildar extremt tunna lager. Sådana lager är bara tre atomlager tjocka, med volframatomer i mitten, kopplade till selenatomer under och ovanför. "Om energi tillförs skiktet, till exempel genom att applicera en elektrisk spänning eller genom att bestråla det med ljus av lämplig våglängd, börjar det lysa", förklarar Lukas Linhart från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien. ”Detta i sig är inget ovanligt, många material gör det. Men när ljuset som sänds ut av volframdiselenid analyserades i detalj, upptäcktes förutom vanligt ljus en speciell typ av ljus med mycket ovanliga egenskaper."

Detta speciella naturkvantljus består av fotoner med specifika våglängder - och de sänds alltid ut individuellt. Det händer aldrig att två fotoner med samma våglängd detekteras samtidigt. "Detta säger oss att dessa fotoner inte kan produceras slumpmässigt i materialet, men att det måste finnas vissa punkter i volframdiselenidprovet som producerar många av dessa fotoner, den ena efter den andra", förklarar professor Florian Libisch, vars forskning fokuserar på två -dimensionella material.

För att förklara denna effekt krävs detaljerad förståelse av elektronernas beteende i materialet på en kvantfysisk nivå. Elektroner i volframdiselenid kan uppta olika energitillstånd. Om en elektron ändras från ett tillstånd med hög energi till ett tillstånd med lägre energi, sänds en foton ut. Men detta hopp till en lägre energi är inte alltid tillåtet: Elektronen måste följa vissa lagar - bevarandet av momentum och vinkelmomentum.

På grund av dessa bevarandelagar måste en elektron i ett högenergikvanttillstånd förbli där - om inte vissa ofullkomligheter i materialet tillåter energitillstånden att förändras. "Ett volframdiselenidlager är aldrig perfekt. På vissa ställen kan en eller flera selenatomer saknas”, säger Lukas Linhart. "Detta förändrar också energin i elektrontillstånden i denna region."

Materialskiktet är dessutom inte ett perfekt plan. Som en filt som skrynklar sig när den sprids över en kudde, sträcker volframdiselenid sig lokalt när materialskiktet hängs upp på små stödstrukturer. Dessa mekaniska spänningar har också en effekt på de elektroniska energitillstånden.

– Samspelet mellan materialdefekter och lokala påfrestningar är komplicerat. Men nu har vi lyckats simulera båda effekterna på en dator, säger Lukas Linhart. "Och det visar sig att endast kombinationen av dessa effekter kan förklara de konstiga ljuseffekterna."

I de mikroskopiska områdena av materialet, där defekter och ytspänningar uppträder tillsammans, ändras elektronernas energinivåer från ett högt till ett lågenergitillstånd och avger en foton. Kvantfysikens lagar tillåter inte att två elektroner är i exakt samma tillstånd samtidigt, och därför måste elektronerna genomgå denna process en efter en. Som ett resultat emitteras fotonerna en efter en också.

Samtidigt hjälper den mekaniska distorsionen av materialet till att ackumulera ett stort antal elektroner i närheten av defekten så att ytterligare en elektron är lättillgänglig att kliva in efter att den sista har ändrat tillstånd och emitterat en foton.

Detta resultat illustrerar att ultratunna 2D-material öppnar helt nya möjligheter för materialvetenskap.