Khi cho dòng điện chạy qua một lớp vonfram diselenide mỏng, nó bắt đầu phát sáng theo kiểu rất khác thường. Ngoài ánh sáng thông thường mà các vật liệu bán dẫn khác có thể phát ra, vonfram diselenide còn tạo ra một loại ánh sáng lượng tử rất đặc biệt, chỉ được tạo ra ở những điểm cụ thể của vật liệu. Nó bao gồm một loạt photon luôn được phát ra từng hạt một – không bao giờ theo cặp hay theo chùm. Hiệu ứng chống bó này là hoàn hảo cho các thí nghiệm trong lĩnh vực thông tin lượng tử và mật mã lượng tử, trong đó cần có các photon đơn lẻ. Tuy nhiên, trong nhiều năm, lượng khí thải này vẫn là một bí ẩn.

Các nhà nghiên cứu tại TU Vienna hiện đã giải thích điều này: Sự tương tác tinh tế của các khiếm khuyết nguyên tử đơn lẻ trong vật liệu và biến dạng cơ học là nguyên nhân gây ra hiệu ứng ánh sáng lượng tử này. Mô phỏng máy tính cho thấy cách các electron được điều khiển đến những vị trí cụ thể trong vật liệu, nơi chúng bị bắt giữ bởi một khuyết tật, mất năng lượng và phát ra một photon. Lời giải cho câu đố ánh sáng lượng tử hiện đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Chỉ dày ba nguyên tử

Vonfram diselenide là vật liệu hai chiều tạo thành các lớp cực mỏng. Những lớp như vậy chỉ dày ba lớp nguyên tử, với các nguyên tử vonfram ở giữa, kết hợp với các nguyên tử selen ở bên dưới và bên trên. Lukas Linhart từ Viện Vật lý Lý thuyết tại TU Vienna giải thích: “Nếu năng lượng được cung cấp cho lớp, chẳng hạn bằng cách đặt một điện áp điện hoặc bằng cách chiếu nó bằng ánh sáng có bước sóng thích hợp, thì nó bắt đầu tỏa sáng”. “Bản thân điều này không có gì bất thường, nhiều vật liệu đã làm được điều đó. Tuy nhiên, khi phân tích chi tiết ánh sáng phát ra từ vonfram diselenide, ngoài ánh sáng thông thường, người ta còn phát hiện ra một loại ánh sáng đặc biệt có đặc tính rất khác thường.”

Ánh sáng lượng tử có tính chất đặc biệt này bao gồm các photon có bước sóng cụ thể và chúng luôn được phát ra riêng lẻ. Không bao giờ xảy ra trường hợp hai photon có cùng bước sóng được phát hiện cùng một lúc. Giáo sư Florian Libisch, người có nghiên cứu tập trung vào hai photon, giải thích: “Điều này cho chúng ta biết rằng những photon này không thể được tạo ra một cách ngẫu nhiên trong vật liệu, nhưng phải có một số điểm nhất định trong mẫu vonfram diselenide tạo ra nhiều photon này nối tiếp nhau.” -vật liệu chiều.

Việc giải thích hiệu ứng này đòi hỏi sự hiểu biết chi tiết về hành vi của các electron trong vật liệu ở cấp độ vật lý lượng tử. Các electron trong vonfram diselenide có thể chiếm các trạng thái năng lượng khác nhau. Nếu một electron chuyển từ trạng thái năng lượng cao sang trạng thái năng lượng thấp hơn thì sẽ phát ra một photon. Tuy nhiên, việc nhảy tới mức năng lượng thấp hơn này không phải lúc nào cũng được phép: Electron phải tuân theo những định luật nhất định—sự bảo toàn động lượng và xung lượng góc.

Do những định luật bảo toàn này, một electron ở trạng thái lượng tử năng lượng cao phải tồn tại ở đó – trừ khi những khiếm khuyết nhất định trong vật liệu cho phép các trạng thái năng lượng thay đổi. “Lớp vonfram diselenide không bao giờ hoàn hảo. Ở một số nơi, một hoặc nhiều nguyên tử selen có thể bị thiếu”, Lukas Linhart nói. “Điều này cũng làm thay đổi năng lượng của các trạng thái electron trong vùng này.”

Hơn nữa, lớp vật liệu không phải là một mặt phẳng hoàn hảo. Giống như một tấm chăn bị nhăn khi trải trên gối, vonfram diselenide co giãn cục bộ khi lớp vật liệu lơ lửng trên các cấu trúc đỡ nhỏ. Những ứng suất cơ học này cũng có ảnh hưởng đến trạng thái năng lượng điện tử.

“Sự tương tác giữa các khuyết tật vật liệu và biến dạng cục bộ rất phức tạp. Tuy nhiên, hiện nay chúng tôi đã thành công trong việc mô phỏng cả hai hiệu ứng trên máy tính”, Lukas Linhart cho biết. “Và hóa ra chỉ có sự kết hợp của những hiệu ứng này mới có thể giải thích được những hiệu ứng ánh sáng kỳ lạ.”

Tại những vùng cực nhỏ của vật liệu, nơi các khuyết tật và biến dạng bề mặt xuất hiện cùng nhau, mức năng lượng của các electron thay đổi từ trạng thái năng lượng cao xuống trạng thái năng lượng thấp và phát ra một photon. Các định luật vật lý lượng tử không cho phép hai electron ở trạng thái giống hệt nhau trong cùng một thời điểm và do đó, các electron phải trải qua quá trình này từng cái một. Kết quả là từng photon cũng được phát ra.

Đồng thời, sự biến dạng cơ học của vật liệu giúp tích tụ một số lượng lớn electron ở vùng lân cận khuyết tật để một electron khác sẵn sàng bước vào sau khi electron cuối cùng thay đổi trạng thái và phát ra một photon.

Kết quả này minh chứng rằng vật liệu 2D siêu mỏng mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho khoa học vật liệu.