Ha egy vékony volfrám-diszelenidrétegre áramot vezetnek, az rendkívül szokatlan módon kezd világítani.A közönséges fény mellett, amelyet más félvezető anyagok kibocsáthatnak, a wolfram-diszelenid egy nagyon speciális fényes kvantumfényt is termel, amely csak az anyag meghatározott pontjain jön létre.Fotonok sorozatából áll, amelyeket mindig egyenként bocsátanak ki – soha nem párban vagy csokorban.Ez a csomósodást gátló hatás tökéletes a kvantuminformáció és a kvantumkriptográfia területén végzett kísérletekhez, ahol egyetlen fotonra van szükség.Ez a kibocsátás azonban évek óta rejtély maradt.

A TU Vienna kutatói most ezt magyarázták: az anyagban előforduló egyedi atomi hibák és a mechanikai igénybevétel finom kölcsönhatása felelős ezért a kvantumfényhatásért.A számítógépes szimulációk azt mutatják meg, hogy az elektronok hogyan jutnak el az anyag meghatározott helyeire, ahol egy hiba befogja őket, energiát veszítenek és fotont bocsátanak ki.A kvantumfényrejtvény megoldását most a Physical Review Letters publikálták.

Csak három atom vastag

A wolfram-diszelenid egy kétdimenziós anyag, amely rendkívül vékony rétegeket képez.Az ilyen rétegek mindössze három atomréteg vastagságúak, középen volfrámatomok, alul és felül szelénatomokkal kapcsolódnak.„Ha a réteget energiával látják el, például elektromos feszültség alkalmazásával vagy megfelelő hullámhosszú fénnyel való besugárzással, akkor az elkezd ragyogni” – magyarázza Lukas Linhart, a bécsi TU Elméleti Fizikai Intézetének munkatársa.„Ez önmagában nem szokatlan, sok anyag teszi ezt.Amikor azonban a wolfram-diszelenid által kibocsátott fényt részletesen elemezték, a közönséges fény mellett egy speciális, nagyon szokatlan tulajdonságokkal rendelkező fénytípust is észleltek.

Ez a különleges természetű kvantumfény meghatározott hullámhosszú fotonokból áll – és mindig egyenként bocsátják ki őket.Soha nem fordul elő, hogy egyszerre két azonos hullámhosszú fotont észleljenek."Ez azt mondja nekünk, hogy ezek a fotonok nem keletkezhetnek véletlenszerűen az anyagban, hanem a wolfram-diszelenid mintában bizonyos pontoknak kell lenniük, amelyek egymás után sok ilyen fotont termelnek" - magyarázza Florian Libisch professzor, akinek kutatása két kérdésre összpontosít. - dimenziós anyagok.

Ennek a hatásnak a magyarázatához az anyagban lévő elektronok kvantumfizikai szinten való viselkedésének részletes megértése szükséges.A volfrám-diszelenidben lévő elektronok különböző energiaállapotokat foglalhatnak el.Ha egy elektron nagy energiájú állapotból alacsonyabb energiájú állapotba vált, foton bocsát ki.Ez az alacsonyabb energiára való ugrás azonban nem mindig megengedett: az elektronnak be kell tartania bizonyos törvényeket – a lendület és a szögimpulzus megmaradását.

A megmaradási törvények miatt egy nagy energiájú kvantumállapotú elektronnak ott kell maradnia – hacsak az anyag bizonyos tökéletlenségei nem teszik lehetővé az energiaállapotok megváltozását.„A wolfram-diszelenid réteg soha nem tökéletes.Egyes helyeken egy vagy több szelénatom hiányozhat” – mondja Lukas Linhart."Ez megváltoztatja az elektronállapotok energiáját is ebben a régióban."

Ráadásul az anyagréteg sem tökéletes sík.Mint egy takaró, amely párnára terítve ráncosodik, a wolfram-diszelenid lokálisan megnyúlik, amikor az anyagréteget kis tartószerkezetekre felfüggesztik.Ezek a mechanikai feszültségek az elektronikus energiaállapotokra is hatással vannak.

„Az anyaghibák és a helyi feszültségek kölcsönhatása bonyolult.Mostanra azonban sikerült mindkét hatást számítógépen szimulálni” – mondja Lukas Linhart."És kiderült, hogy csak ezeknek a hatásoknak a kombinációja magyarázhatja a furcsa fényhatásokat."

Az anyag azon mikroszkopikus tartományaiban, ahol a hibák és a felületi feszültségek együtt jelennek meg, az elektronok energiaszintje magasról alacsony energiájú állapotba változik, és fotont bocsátanak ki.A kvantumfizika törvényei nem teszik lehetővé, hogy két elektron egy időben pontosan ugyanabban az állapotban legyen, ezért az elektronoknak egyenként kell keresztülmenniük ezen a folyamaton.Ennek eredményeként a fotonok egyenként is kibocsátódnak.

Ugyanakkor az anyag mechanikai torzulása elősegíti, hogy nagyszámú elektron halmozódjon fel a hiba közelében, így egy másik elektron azonnal bejuthat, miután az utolsó megváltoztatta állapotát és fotont bocsátott ki.

Ez az eredmény azt mutatja, hogy az ultravékony 2-D anyagok teljesen új lehetőségeket nyitnak meg az anyagtudomány számára.