Kapag ang isang kasalukuyang ay inilapat sa isang manipis na layer ng tungsten diselenide, ito ay nagsisimula sa glow sa isang lubhang hindi pangkaraniwang paraan. Bilang karagdagan sa ordinaryong ilaw, na maaaring ilabas ng iba pang mga semiconductor na materyales, ang tungsten diselenide ay gumagawa din ng isang napaka-espesyal na uri ng maliwanag na quantum light, na nilikha lamang sa mga partikular na punto ng materyal. Binubuo ito ng isang serye ng mga photon na palaging ibinubuga nang paisa-isa—kailanman ay hindi magkapares o magkakasama. Ang anti-bunching effect na ito ay perpekto para sa mga eksperimento sa larangan ng quantum information at quantum cryptography, kung saan kinakailangan ang mga solong photon. Gayunpaman, sa loob ng maraming taon, ang paglabas na ito ay nanatiling misteryo.

Ipinaliwanag na ito ngayon ng mga mananaliksik sa TU Vienna: Ang isang banayad na pakikipag-ugnayan ng mga solong atomic na depekto sa materyal at mekanikal na strain ay responsable para sa quantum light effect na ito. Ipinapakita ng mga computer simulation kung paano dinadala ang mga electron sa mga partikular na lugar sa materyal, kung saan nakukuha sila ng isang depekto, nawawalan ng enerhiya at naglalabas ng photon. Ang solusyon sa quantum light puzzle ay nai-publish na ngayon sa Physical Review Letters.

Tatlong atoms lamang ang kapal

Ang tungsten diselenide ay isang dalawang-dimensional na materyal na bumubuo ng napakanipis na mga layer. Ang nasabing mga layer ay tatlong atomic layer lamang ang kapal, na may mga atomo ng tungsten sa gitna, na pinagsama sa mga atomo ng selenium sa ibaba at sa itaas. "Kung ang enerhiya ay ibinibigay sa layer, halimbawa sa pamamagitan ng paglalapat ng isang de-koryenteng boltahe o sa pamamagitan ng pag-iilaw nito sa liwanag ng isang angkop na haba ng daluyong, ito ay magsisimulang lumiwanag," paliwanag ni Lukas Linhart mula sa Institute of Theoretical Physics sa TU Vienna. "Ito mismo ay hindi pangkaraniwan, maraming mga materyales ang gumagawa nito. Gayunpaman, nang ang liwanag na ibinubuga ng tungsten diselenide ay pinag-aralan nang detalyado, bilang karagdagan sa ordinaryong ilaw, isang espesyal na uri ng liwanag na may mga hindi pangkaraniwang katangian ang nakita."

Ang espesyal na nature quantum light na ito ay binubuo ng mga photon ng mga partikular na wavelength—at palagi silang inilalabas nang isa-isa. Hindi kailanman mangyayari na ang dalawang photon ng parehong wavelength ay nakita sa parehong oras. "Sinasabi nito sa amin na ang mga photon na ito ay hindi maaaring gawin nang sapalaran sa materyal, ngunit dapat mayroong ilang mga punto sa sample ng tungsten diselenide na gumagawa ng marami sa mga photon na ito, isa-isa," paliwanag ni Propesor Florian Libisch, na ang pananaliksik ay nakatutok sa dalawa. - mga materyal na sukat.

Ang pagpapaliwanag sa epektong ito ay nangangailangan ng detalyadong pag-unawa sa pag-uugali ng mga electron sa materyal sa isang pisikal na antas ng quantum. Ang mga electron sa tungsten diselenide ay maaaring sumakop sa iba't ibang mga estado ng enerhiya. Kung ang isang electron ay nagbabago mula sa isang estado ng mataas na enerhiya sa isang estado ng mas mababang enerhiya, isang photon ay ibinubuga. Gayunpaman, ang pagtalon na ito sa isang mas mababang enerhiya ay hindi palaging pinapayagan: Ang elektron ay kailangang sumunod sa ilang mga batas-ang konserbasyon ng momentum at angular na momentum.

Dahil sa mga batas sa pag-iingat na ito, ang isang electron sa isang high-energy quantum state ay dapat manatili doon—maliban kung ang ilang mga imperpeksyon sa materyal ay nagpapahintulot sa mga estado ng enerhiya na magbago. "Ang isang tungsten diselenide layer ay hindi perpekto. Sa ilang mga lugar, ang isa o higit pang selenium atoms ay maaaring nawawala," sabi ni Lukas Linhart. "Binabago din nito ang enerhiya ng mga estado ng elektron sa rehiyong ito."

Bukod dito, ang materyal na layer ay hindi isang perpektong eroplano. Tulad ng isang kumot na kulubot kapag ikinakalat sa isang unan, ang tungsten diselenide ay lumalawak nang lokal kapag ang materyal na layer ay nasuspinde sa maliliit na istruktura ng suporta. Ang mga mekanikal na stress na ito ay mayroon ding epekto sa mga estado ng elektronikong enerhiya.

"Ang pakikipag-ugnayan ng mga materyal na depekto at mga lokal na strain ay kumplikado. Gayunpaman, nagtagumpay na kami ngayon sa pagtulad sa parehong mga epekto sa isang computer," sabi ni Lukas Linhart. "At lumalabas na ang kumbinasyon lamang ng mga epektong ito ang makapagpapaliwanag ng kakaibang epekto ng liwanag."

Sa mga microscopic na rehiyon ng materyal, kung saan lumilitaw ang mga depekto at mga strain sa ibabaw nang magkasama, ang mga antas ng enerhiya ng mga electron ay nagbabago mula sa mataas hanggang sa mababang estado ng enerhiya at naglalabas ng photon. Ang mga batas ng quantum physics ay hindi nagpapahintulot sa dalawang electron na nasa eksaktong parehong estado sa parehong oras, at samakatuwid, ang mga electron ay dapat sumailalim sa prosesong ito nang paisa-isa. Bilang isang resulta, ang mga photon ay inilabas nang paisa-isa, pati na rin.

Kasabay nito, ang mekanikal na pagbaluktot ng materyal ay nakakatulong upang maipon ang isang malaking bilang ng mga electron sa paligid ng depekto upang ang isa pang elektron ay madaling magagamit upang pumasok pagkatapos na ang huling isa ay nagbago ng estado nito at naglabas ng isang photon.

Ang resultang ito ay naglalarawan na ang mga ultrathin na 2-D na materyales ay nagbubukas ng ganap na bagong mga posibilidad para sa mga materyales sa agham.