เมื่อกระแสไฟถูกจ่ายไปที่ชั้นบางๆ ของทังสเตน ไดเซเลไนด์ ทังสเตนจะเริ่มเรืองแสงในลักษณะที่ไม่ธรรมดาอย่างมาก นอกเหนือจากแสงธรรมดาที่วัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ สามารถปล่อยออกมาได้ ทังสเตนไดเซเลไนด์ยังผลิตแสงควอนตัมสว่างชนิดพิเศษอีกด้วย ซึ่งสร้างขึ้นที่จุดเฉพาะของวัสดุเท่านั้น ประกอบด้วยโฟตอนหลายชุดซึ่งจะถูกปล่อยออกมาทีละตัวเสมอ ไม่เคยออกเป็นคู่หรือเป็นกลุ่มก้อน เอฟเฟกต์ป้องกันการรวมกลุ่มนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการทดลองในด้านข้อมูลควอนตัมและการเข้ารหัสควอนตัม โดยที่ต้องใช้โฟตอนเดี่ยว อย่างไรก็ตาม เป็นเวลาหลายปีแล้วที่การปล่อยก๊าซเรือนกระจกนี้ยังคงเป็นปริศนา

นักวิจัยที่ TU Vienna ได้อธิบายเรื่องนี้แล้ว: ปฏิสัมพันธ์ที่ละเอียดอ่อนของข้อบกพร่องอะตอมเดี่ยวในวัสดุและความเครียดทางกลมีส่วนรับผิดชอบต่อเอฟเฟกต์แสงควอนตัมนี้ การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นว่าอิเล็กตรอนถูกขับเคลื่อนไปยังตำแหน่งเฉพาะในวัสดุอย่างไร โดยที่พวกมันถูกจับโดยข้อบกพร่อง สูญเสียพลังงาน และปล่อยโฟตอนออกมา ขณะนี้วิธีแก้ปัญหาปริศนาแสงควอนตัมได้รับการตีพิมพ์ใน Physical Review Letters

มีความหนาเพียงสามอะตอมเท่านั้น

ทังสเตน diselenide เป็นวัสดุสองมิติที่สร้างชั้นบางมาก ชั้นดังกล่าวมีความหนาเพียงสามชั้นอะตอม โดยมีอะตอมทังสเตนอยู่ตรงกลาง ประกอบกับอะตอมซีลีเนียมที่อยู่ด้านล่างและด้านบน “หากพลังงานถูกส่งไปยังชั้น เช่น โดยการใช้แรงดันไฟฟ้าหรือการฉายรังสีด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นที่เหมาะสม พลังงานนั้นจะเริ่มส่องแสง” ลูคัส ลินฮาร์ต จากสถาบันฟิสิกส์ทฤษฎีที่ TU Vienna อธิบาย “สิ่งนี้ไม่ใช่เรื่องแปลก วัสดุหลายอย่างทำเช่นนั้น อย่างไรก็ตาม เมื่อมีการวิเคราะห์แสงที่ปล่อยออกมาจากทังสเตน ไดเซเลไนด์อย่างละเอียด นอกจากแสงธรรมดาแล้ว ยังตรวจพบแสงชนิดพิเศษที่มีคุณสมบัติผิดปกติอย่างมากอีกด้วย”

แสงควอนตัมธรรมชาติพิเศษนี้ประกอบด้วยโฟตอนที่มีความยาวคลื่นจำเพาะ และพวกมันจะถูกปล่อยออกมาแยกกันเสมอ ไม่เคยเกิดขึ้นเลยที่จะมีการตรวจพบโฟตอนที่มีความยาวคลื่นเท่ากันสองตัวในเวลาเดียวกัน “สิ่งนี้บอกเราว่าโฟตอนเหล่านี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้แบบสุ่มในวัสดุ แต่ต้องมีจุดที่แน่นอนในตัวอย่างทังสเตนไดเซเลไนด์ที่ผลิตโฟตอนเหล่านี้จำนวนมากทีละตัว” ศาสตราจารย์ฟลอเรียน ลิบิชช์ อธิบาย ซึ่งการวิจัยมุ่งเน้นไปที่สอง -วัสดุมิติ

การอธิบายผลกระทบนี้ต้องอาศัยความเข้าใจโดยละเอียดเกี่ยวกับพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในวัสดุในระดับทางกายภาพของควอนตัม อิเล็กตรอนในทังสเตนไดเซเลไนด์สามารถครอบครองสถานะพลังงานที่แตกต่างกันได้ หากอิเล็กตรอนเปลี่ยนจากสถานะพลังงานสูงไปเป็นสถานะพลังงานต่ำ โฟตอนจะถูกปล่อยออกมา อย่างไรก็ตาม การกระโดดไปสู่พลังงานที่ต่ำกว่านี้ไม่ได้รับอนุญาตเสมอไป อิเล็กตรอนจะต้องเป็นไปตามกฎบางประการ นั่นคือการอนุรักษ์โมเมนตัมและโมเมนตัมเชิงมุม

เนื่องจากกฎการอนุรักษ์เหล่านี้ อิเล็กตรอนในสถานะควอนตัมพลังงานสูงจะต้องคงอยู่ที่นั่น เว้นแต่ความไม่สมบูรณ์บางประการในวัสดุจะทำให้สถานะพลังงานเปลี่ยนแปลงได้ “ชั้นทังสเตนไดเซเลไนด์ไม่เคยสมบูรณ์แบบ ในบางสถานที่ อะตอมของซีลีเนียมอาจหายไปหนึ่งอะตอมหรือมากกว่านั้น” ลูคัส ลินฮาร์ต กล่าว “สิ่งนี้ยังเปลี่ยนแปลงพลังงานของสถานะอิเล็กตรอนในภูมิภาคนี้ด้วย”

นอกจากนี้ชั้นวัสดุยังไม่ใช่ระนาบที่สมบูรณ์แบบ เช่นเดียวกับผ้าห่มที่ยับเมื่อแผ่ไปบนหมอน ทังสเตนไดเซเลไนด์จะยืดออกเฉพาะเมื่อชั้นวัสดุถูกแขวนไว้บนโครงสร้างรองรับขนาดเล็ก ความเค้นเชิงกลเหล่านี้ยังส่งผลต่อสถานะพลังงานอิเล็กทรอนิกส์อีกด้วย

“ปฏิสัมพันธ์ระหว่างข้อบกพร่องของวัสดุและสายพันธุ์ในท้องถิ่นมีความซับซ้อน อย่างไรก็ตาม ตอนนี้เราประสบความสำเร็จในการจำลองเอฟเฟกต์ทั้งสองบนคอมพิวเตอร์แล้ว” ลูคัส ลินฮาร์ตกล่าว “และปรากฎว่าเพียงการรวมกันของเอฟเฟกต์เหล่านี้เท่านั้นที่สามารถอธิบายเอฟเฟกต์แสงประหลาดได้”

ในบริเวณที่มองเห็นด้วยกล้องจุลทรรศน์ของวัสดุ ซึ่งมีข้อบกพร่องและความเครียดที่พื้นผิวปรากฏขึ้นพร้อมกัน ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนจะเปลี่ยนจากสถานะพลังงานสูงไปเป็นพลังงานต่ำและปล่อยโฟตอนออกมา กฎของฟิสิกส์ควอนตัมไม่อนุญาตให้อิเล็กตรอนสองตัวอยู่ในสถานะเดียวกันในเวลาเดียวกัน ดังนั้น อิเล็กตรอนจะต้องผ่านกระบวนการนี้ทีละตัว เป็นผลให้โฟตอนถูกปล่อยออกมาทีละตัวเช่นกัน

ในเวลาเดียวกัน การบิดเบือนทางกลของวัสดุช่วยในการสะสมอิเล็กตรอนจำนวนมากในบริเวณใกล้เคียงกับข้อบกพร่อง เพื่อให้อิเล็กตรอนอีกตัวหนึ่งพร้อมที่จะก้าวเข้ามาหลังจากที่อันสุดท้ายเปลี่ยนสถานะและปล่อยโฟตอนออกมา

ผลลัพธ์นี้แสดงให้เห็นว่าวัสดุ 2-D บางเฉียบเปิดโอกาสใหม่ๆ ให้กับวัสดุศาสตร์