Когато се приложи ток към тънък слой волфрамов диселенид, той започва да свети по изключително необичаен начин.В допълнение към обикновената светлина, която други полупроводникови материали могат да излъчват, волфрамовият диселенид също произвежда много специален тип ярка квантова светлина, която се създава само в определени точки от материала.Състои се от поредица от фотони, които винаги се излъчват един по един - никога по двойки или на групи.Този ефект против групиране е идеален за експерименти в областта на квантовата информация и квантовата криптография, където са необходими единични фотони.От години обаче това излъчване остава загадка.

Изследователи от TU Vienna вече обясниха това: финото взаимодействие на единични атомни дефекти в материала и механичното напрежение са отговорни за този квантов светлинен ефект.Компютърни симулации показват как електроните се задвижват до определени места в материала, където се улавят от дефект, губят енергия и излъчват фотон.Решението на пъзела с квантовата светлина вече е публикувано в Physical Review Letters.

Дебелина само три атома

Волфрамовият диселенид е двуизмерен материал, който образува изключително тънки слоеве.Такива слоеве са с дебелина само три атомни слоя, с волфрамови атоми в средата, свързани със селенови атоми отдолу и отгоре.„Ако към слоя се подаде енергия, например чрез прилагане на електрическо напрежение или чрез облъчването му със светлина с подходяща дължина на вълната, той започва да свети“, обяснява Лукас Линхарт от Института по теоретична физика към TU Vienna.„Това само по себе си не е необичайно, много материали го правят.Въпреки това, когато светлината, излъчвана от волфрамов диселенид, беше анализирана подробно, в допълнение към обикновената светлина беше открит специален тип светлина с много необичайни свойства.

Тази специална природна квантова светлина се състои от фотони със специфични дължини на вълната - и те винаги се излъчват индивидуално.Никога не се случва два фотона с еднаква дължина на вълната да бъдат открити едновременно.„Това ни казва, че тези фотони не могат да бъдат произведени на случаен принцип в материала, но че трябва да има определени точки в пробата от волфрамов диселенид, които произвеждат много от тези фотони един след друг“, обяснява професор Флориан Либиш, чието изследване се фокусира върху две -габаритни материали.

Обяснението на този ефект изисква подробно разбиране на поведението на електроните в материала на квантово физическо ниво.Електроните във волфрамов диселенид могат да заемат различни енергийни състояния.Ако един електрон премине от състояние с висока енергия в състояние с по-ниска енергия, се излъчва фотон.Въпреки това, този скок към по-ниска енергия не винаги е разрешен: Електронът трябва да се придържа към определени закони - запазването на импулса и ъгловия момент.

Поради тези закони за запазване, електрон във високоенергийно квантово състояние трябва да остане там - освен ако някои несъвършенства в материала не позволяват енергийните състояния да се променят.„Слоят от волфрамов диселенид никога не е перфектен.На някои места един или повече селенови атоми може да липсват“, казва Лукас Линхарт."Това също променя енергията на електронните състояния в този регион."

Освен това материалният слой не е идеална равнина.Подобно на одеяло, което се набръчква, когато се простира върху възглавница, волфрамовият диселенид се разтяга локално, когато слоят материал е окачен върху малки опорни конструкции.Тези механични напрежения също имат ефект върху електронните енергийни състояния.

„Взаимодействието на материални дефекти и локални деформации е сложно.Сега обаче успяхме да симулираме и двата ефекта на компютър“, казва Лукас Линхарт.„И се оказва, че само комбинацията от тези ефекти може да обясни странните светлинни ефекти.“

В тези микроскопични области на материала, където дефектите и повърхностните деформации се появяват заедно, енергийните нива на електроните се променят от високо към ниско енергийно състояние и излъчват фотон.Законите на квантовата физика не позволяват два електрона да бъдат в едно и също състояние по едно и също време и следователно електроните трябва да преминат през този процес един по един.В резултат на това фотоните също се излъчват един по един.

В същото време механичното изкривяване на материала спомага за натрупването на голям брой електрони в близост до дефекта, така че друг електрон да е лесно достъпен за намеса, след като последният промени състоянието си и излъчи фотон.

Този резултат показва, че ултратънките 2-D материали отварят напълно нови възможности за материалознанието.