Калі ток падводзіць да тонкага пласта дыселеніду вальфраму, ён пачынае свяціцца вельмі незвычайным чынам. У дадатак да звычайнага святла, якое могуць выпраменьваць іншыя паўправадніковыя матэрыялы, дыселенід вальфраму таксама вырабляе вельмі асаблівы тып яркага квантавага святла, які ствараецца толькі ў пэўных кропках матэрыялу. Ён складаецца з серыі фатонаў, якія заўсёды выпраменьваюцца адзін за адным — ніколі не парамі або групамі. Гэты эфект супраць групоўкі ідэальна падыходзіць для эксперыментаў у галіне квантавай інфармацыі і квантавай крыптаграфіі, дзе патрабуюцца адзінкавыя фатоны. Аднак на працягу многіх гадоў гэты выкід заставаўся загадкай.

Даследчыкі Венскага тэхналагічнага інстытута цяпер патлумачылі гэта: тонкае ўзаемадзеянне адзінкавых атамных дэфектаў у матэрыяле і механічнае напружанне адказваюць за гэты квантавы светлавы эфект. Камп'ютэрнае мадэляванне паказвае, як электроны накіроўваюцца ў пэўныя месцы ў матэрыяле, дзе яны захопліваюцца дэфектам, губляюць энергію і выпраменьваюць фатон. Рашэнне галаваломкі квантавага святла цяпер апублікавана ў Physical Review Letters.

Таўшчынёй усяго тры атамы

Дыселенід вальфраму - гэта двухмерны матэрыял, які ўтварае надзвычай тонкія пласты. Такія пласты маюць таўшчыню ўсяго ў тры атамныя пласты, з атамамі вальфраму ў сярэдзіне, звязанымі з атамамі селену ўнізе і ўверсе. «Калі да пласта падаецца энергія, напрыклад, шляхам падачы электрычнага напружання або апрамянення яго святлом адпаведнай даўжыні хвалі, ён пачынае ззяць», — тлумачыць Лукас Лінхарт з Інстытута тэарэтычнай фізікі Венскага тэхналагічнага інстытута. «Само па сабе гэта не з'яўляецца незвычайным, многія матэрыялы так робяць. Аднак пры дэталёвым аналізе святла, выпраменьванага дыселенідам вальфраму, у дадатак да звычайнага святла быў выяўлены асаблівы тып святла з вельмі незвычайнымі ўласцівасцямі».

Гэта асаблівае квантавае святло прыроды складаецца з фатонаў пэўнай даўжыні хвалі, і яны заўсёды выпраменьваюцца паасобку. Ніколі не бывае, каб два фатоны аднолькавай даўжыні хвалі былі выяўленыя адначасова. «Гэта кажа нам, што гэтыя фатоны не могуць утварацца выпадковым чынам у матэрыяле, але што павінны быць пэўныя кропкі ва ўзоры дыселеніду вальфраму, якія вырабляюць шмат гэтых фатонаў адзін за адным», - тлумачыць прафесар Фларыян Лібіш, чые даследаванні сканцэнтраваны на двух -габарытныя матэрыялы.

Тлумачэнне гэтага эфекту патрабуе дэталёвага разумення паводзін электронаў у матэрыяле на квантава-фізічным узроўні. Электроны ў дыселенідзе вальфраму могуць займаць розныя энергетычныя станы. Калі электрон пераходзіць са стану высокай энергіі ў стан з меншай энергіяй, выпраменьваецца фатон. Аднак гэты скачок да меншай энергіі не заўсёды дазволены: электрон павінен прытрымлівацца пэўных законаў — захавання імпульсу і вуглавога моманту.

З-за гэтых законаў захавання электрон у квантавым стане з высокай энергіяй павінен заставацца там, калі пэўныя недахопы ў матэрыяле не дазваляюць змяніць энергетычныя станы. «Пласт дыселеніду вальфраму ніколі не бывае ідэальным. У некаторых месцах можа адсутнічаць адзін або некалькі атамаў селену», — кажа Лукас Лінхарт. «Гэта таксама змяняе энергію электронных станаў у гэтай вобласці».

Больш за тое, пласт матэрыялу не з'яўляецца ідэальнай плоскасцю. Падобна коўдры, якая моршчыцца, калі яе раскласці на падушцы, дыселенід вальфраму расцягваецца лакальна, калі пласт матэрыялу падвешаны на невялікіх апорных канструкцыях. Гэтыя механічныя нагрузкі таксама аказваюць уплыў на электронныя энергетычныя станы.

«Узаемадзеянне дэфектаў матэрыялу і мясцовых дэфармацый складанае. Аднак цяпер нам удалося змадэляваць абодва эфекты на кампутары», — кажа Лукас Лінхарт. «І аказваецца, што толькі спалучэнне гэтых эфектаў можа растлумачыць дзіўныя светлавыя эфекты».

У тых мікраскапічных абласцях матэрыялу, дзе разам з'яўляюцца дэфекты і павярхоўныя дэфармацыі, энергетычныя ўзроўні электронаў пераходзяць з высокага на нізкі энергетычны стан і выпраменьваюць фатон. Законы квантавай фізікі не дазваляюць двум электронам адначасова знаходзіцца ў аднолькавым стане, і таму электроны павінны праходзіць гэты працэс адзін за адным. У выніку фатоны таксама выпраменьваюцца адзін за адным.

У той жа час механічнае скажэнне матэрыялу дапамагае назапашваць вялікую колькасць электронаў паблізу дэфекту, каб іншы электрон быў лёгка даступны для ўступлення пасля таго, як апошні змяніў свой стан і выпусціў фатон.

Гэты вынік паказвае, што звыштонкія 2-D матэрыялы адкрываюць цалкам новыя магчымасці для матэрыялазнаўства.