İnce bir tungsten diselenid tabakasına akım uygulandığında, oldukça alışılmadık bir şekilde parlamaya başlar. Tungsten diselenid, diğer yarı iletken malzemelerin yayabileceği sıradan ışığa ek olarak, malzemenin yalnızca belirli noktalarında oluşturulan çok özel bir tür parlak kuantum ışığı da üretir. Her zaman tek tek yayılan bir dizi fotondan oluşur; asla çift veya demet halinde değil. Bu toplanma önleyici etki, tek fotonların gerekli olduğu kuantum bilgisi ve kuantum kriptografisi alanındaki deneyler için mükemmeldir. Ancak yıllar boyunca bu emisyon bir sır olarak kaldı.

TU Vienna'daki araştırmacılar şimdi bunu açıkladı: Malzemedeki tek atomik kusurların ince etkileşimi ve mekanik gerilim, bu kuantum ışık etkisinden sorumludur. Bilgisayar simülasyonları, elektronların malzemedeki belirli yerlere nasıl sürüldüğünü, burada bir kusur tarafından nasıl yakalandıklarını, enerji kaybettiklerini ve bir foton yaydıklarını gösteriyor. Kuantum ışık bulmacasının çözümü artık Physical Review Letters'da yayınlandı.

Sadece üç atom kalınlığında

Tungsten diselenid, son derece ince katmanlar oluşturan iki boyutlu bir malzemedir. Bu tür katmanlar, ortada tungsten atomları, altta ve üstte selenyum atomlarıyla birleştirilmiş, yalnızca üç atomik katman kalınlığındadır. TU Viyana Teorik Fizik Enstitüsü'nden Lukas Linhart şöyle açıklıyor: "Eğer katmana, örneğin bir elektrik voltajı uygulanarak veya uygun bir dalga boyundaki ışıkla ışınlanarak enerji sağlanırsa, parlamaya başlar." "Bu başlı başına alışılmadık bir durum değil; birçok malzeme bunu yapıyor. Ancak tungsten diselenidin yaydığı ışık ayrıntılı olarak incelendiğinde, sıradan ışığın yanı sıra çok sıra dışı özelliklere sahip özel bir ışık türü de tespit edildi.”

Bu özel doğadaki kuantum ışığı, belirli dalga boylarındaki fotonlardan oluşur ve bunlar her zaman ayrı ayrı yayılır. Aynı dalga boyundaki iki fotonun aynı anda algılanması asla gerçekleşmez. Araştırması iki konuya odaklanan Profesör Florian Libisch, "Bu bize, bu fotonların malzemede rastgele üretilemeyeceğini, ancak tungsten diselenid örneğinde bu fotonların çoğunu birbiri ardına üreten belirli noktaların olması gerektiğini söylüyor" diye açıklıyor. boyutlu malzemeler.

Bu etkiyi açıklamak, malzemedeki elektronların kuantum fiziği düzeyindeki davranışlarının ayrıntılı olarak anlaşılmasını gerektirir. Tungsten diseleniddeki elektronlar farklı enerji durumlarını işgal edebilir. Eğer elektron yüksek enerjili durumdan düşük enerjili duruma geçerse bir foton yayınlanır. Ancak daha düşük bir enerjiye bu sıçramaya her zaman izin verilmez: Elektronun belirli yasalara (momentumun ve açısal momentumun korunumu) uyması gerekir.

Bu korunum yasaları nedeniyle, yüksek enerjili kuantum durumundaki bir elektronun, malzemedeki belirli kusurlar enerji durumlarının değişmesine izin vermediği sürece, orada kalması gerekir. "Bir tungsten diselenid tabakası asla mükemmel değildir. Bazı yerlerde bir veya daha fazla selenyum atomu eksik olabilir” diyor Lukas Linhart. "Bu aynı zamanda bu bölgedeki elektron durumlarının enerjisini de değiştiriyor."

Üstelik malzeme katmanı mükemmel bir düzlem değildir. Bir yastığa yayıldığında kırışan bir battaniye gibi, tungsten diselenid de malzeme tabakası küçük destek yapıları üzerinde asılı kaldığında yerel olarak esner. Bu mekanik gerilimlerin elektronik enerji durumları üzerinde de etkisi vardır.

"Malzeme kusurları ve yerel gerilimlerin etkileşimi karmaşıktır. Ancak artık her iki etkiyi bilgisayarda simüle etmeyi başardık” diyor Lukas Linhart. "Ve sadece bu efektlerin kombinasyonunun garip ışık efektlerini açıklayabildiği ortaya çıktı."

Kusurların ve yüzey gerilimlerinin bir arada görüldüğü malzemenin mikroskobik bölgelerinde, elektronların enerji seviyeleri yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine değişir ve bir foton yayar. Kuantum fiziği yasaları iki elektronun aynı anda tam olarak aynı durumda olmasına izin vermez ve bu nedenle elektronların bu süreçten teker teker geçmesi gerekir. Bunun sonucunda fotonlar da birer birer yayılır.

Aynı zamanda, malzemenin mekanik bozulması, kusurun yakınında çok sayıda elektronun birikmesine yardımcı olur, böylece sonuncusu durumunu değiştirdikten ve bir foton yaydıktan sonra başka bir elektronun devreye girmesi için hazır hale gelir.

Bu sonuç, ultra ince 2 boyutlu malzemelerin malzeme bilimi için tamamen yeni olanaklar açtığını göstermektedir.