Коли струм подається на тонкий шар диселеніду вольфраму, він починає світитися дуже незвичайним чином. На додаток до звичайного світла, яке можуть випромінювати інші напівпровідникові матеріали, диселенід вольфраму також виробляє особливий тип яскравого квантового світла, який створюється лише в певних точках матеріалу. Він складається з серії фотонів, які завжди випромінюються один за одним — ніколи не парами чи групами. Цей ефект антигрупування ідеально підходить для експериментів у галузі квантової інформації та квантової криптографії, де потрібні одиничні фотони. Однак роками цей викид залишався таємницею.

Дослідники Віденського технічного університету тепер пояснили це: тонка взаємодія окремих атомних дефектів у матеріалі та механічна деформація відповідають за цей квантовий світловий ефект. Комп’ютерне моделювання показує, як електрони направляються до певних місць у матеріалі, де вони захоплюються дефектом, втрачають енергію та випускають фотон. Рішення квантової світлової головоломки тепер опубліковано в Physical Review Letters.

Товщина всього три атоми

Диселенід вольфраму є двовимірним матеріалом, який утворює надзвичайно тонкі шари. Такі шари складаються лише з трьох атомних шарів, з атомами вольфраму в середині, з’єднаними з атомами селену внизу та зверху. «Якщо до шару подається енергія, наприклад, шляхом застосування електричної напруги або опромінення його світлом відповідної довжини хвилі, він починає сяяти», — пояснює Лукас Лінхарт з Інституту теоретичної фізики Віденського ТУ. «Це саме по собі не є чимось незвичайним, багато матеріалів так роблять. Однак, коли світло, випромінюване диселенідом вольфраму, було детально проаналізовано, на додаток до звичайного світла було виявлено особливий тип світла з дуже незвичайними властивостями».

Це особливе квантове світло складається з фотонів певної довжини хвилі, і вони завжди випромінюються окремо. Ніколи не буває, щоб два фотони однакової довжини хвилі були виявлені одночасно. «Це говорить нам про те, що ці фотони не можуть утворюватися випадковим чином у матеріалі, але що мають бути певні точки у зразку диселеніду вольфраму, які виробляють багато фотонів один за одним», — пояснює професор Флоріан Лібіш, чиє дослідження зосереджено на двох -габаритні матеріали.

Пояснення цього ефекту вимагає детального розуміння поведінки електронів у матеріалі на квантово-фізичному рівні. Електрони в диселеніді вольфраму можуть перебувати в різних енергетичних станах. Якщо електрон переходить із стану високої енергії в стан меншої енергії, випромінюється фотон. Однак цей стрибок до нижчої енергії не завжди допускається: електрон має дотримуватися певних законів — збереження імпульсу та кутового моменту.

Через ці закони збереження електрон у квантовому стані з високою енергією має залишатися там, якщо певні недосконалості матеріалу не дозволяють енергетичним станам змінитися. «Шар диселеніду вольфраму ніколи не буває ідеальним. У деяких місцях може бути відсутнім один або кілька атомів селену», — каже Лукас Лінхарт. «Це також змінює енергію електронних станів у цій області».

Крім того, шар матеріалу не є ідеальною площиною. Подібно до ковдри, яка зморщується на подушці, диселенід вольфраму розтягується локально, коли шар матеріалу підвішений на невеликих опорних конструкціях. Ці механічні напруги також впливають на енергетичні стани електронів.

«Взаємодія дефектів матеріалу і локальних деформацій складна. Однак зараз нам вдалося змоделювати обидва ефекти на комп’ютері», — каже Лукас Лінхарт. «І виявляється, що тільки комбінація цих ефектів може пояснити дивні світлові ефекти».

У тих мікроскопічних областях матеріалу, де разом з’являються дефекти та деформації поверхні, енергетичні рівні електронів змінюються з високого енергетичного стану на низький і випромінюють фотон. Закони квантової фізики не дозволяють двом електронам перебувати в абсолютно однаковому стані одночасно, і тому електрони повинні проходити цей процес один за одним. В результаті фотони також випромінюються один за іншим.

У той же час механічне спотворення матеріалу сприяє накопиченню великої кількості електронів поблизу дефекту, щоб інший електрон був легко доступний для вступу після того, як останній змінив свій стан і випустив фотон.

Цей результат демонструє, що ультратонкі 2-D матеріали відкривають абсолютно нові можливості для матеріалознавства.