När en ström appliceras på ett tunt lager volfram diselenid, det börjar lysa på ett mycket ovanligt sätt. Förutom vanligt ljus, som andra halvledarmaterial kan avge, volfram diselenid producerar också en mycket speciell typ av starkt kvantljus, som skapas endast på specifika punkter i materialet. Den består av en serie fotoner som alltid sänds ut en efter en - aldrig i par eller i grupper. Denna anti-buntande effekt är perfekt för experiment inom kvantinformation och kvantkryptografi, där enstaka fotoner krävs. Dock, i åratal, denna utsläpp har förblivit ett mysterium.

Forskare vid TU Wien har nu förklarat detta:En subtil interaktion av enskilda atomfel i materialet och mekanisk belastning är ansvarig för denna kvantljuseffekt. Datorsimuleringar visar hur elektronerna drivs till specifika platser i materialet, där de fångas upp av en defekt, tappar energi och avger en foton. Lösningen på kvantljuspusslet har nu publicerats i Fysiska granskningsbrev .

Bara tre atomer tjocka

Volframdiselenid är ett tvådimensionellt material som bildar extremt tunna lager. Sådana lager är bara tre atomlager tjocka, med volframatomer i mitten, kopplad till selenatomer under och ovan. "Om energi tillförs skiktet, till exempel genom att applicera en elektrisk spänning eller genom att bestråla den med ljus med lämplig våglängd, det börjar lysa, "förklarar Lukas Linhart från Institutet för teoretisk fysik vid TU Wien." Detta i sig är inte ovanligt, många material gör det. Dock, när ljuset från volfram diselenid analyserades i detalj, förutom vanligt ljus upptäcktes en speciell typ av ljus med mycket ovanliga egenskaper. "

Detta kvantljus av speciell natur består av fotoner med specifika våglängder - och de avges alltid individuellt. Det händer aldrig att två fotoner med samma våglängd detekteras samtidigt. "Detta säger oss att dessa fotoner inte kan produceras slumpmässigt i materialet, men att det måste finnas vissa punkter i volfram -diselenidprovet som producerar många av dessa fotoner, en efter den andra, "förklarar professor Florian Libisch, vars forskning fokuserar på tvådimensionella material.

Att förklara denna effekt kräver detaljerad förståelse för elektronernas beteende i materialet på kvantfysisk nivå. Elektroner i volframdiselenid kan uppta olika energitillstånd. Om en elektron ändras från ett tillstånd med hög energi till ett tillstånd med lägre energi, en foton avges. Dock, detta hopp till en lägre energi är inte alltid tillåtet:Elektronen måste följa vissa lagar - bevarande av momentum och vinkelmoment.

Defekter och snedvridningar

På grund av dessa bevarande lagar, en elektron i ett kvanttillstånd med hög energi måste förbli där-om inte vissa brister i materialet tillåter energistaterna att förändras. "Ett volframdiselenidlager är aldrig perfekt. På vissa ställen, en eller flera selenatomer kan saknas, "säger Lukas Linhart." Detta förändrar också energin i elektronstaterna i denna region. "

Dessutom, materialskiktet är inte ett perfekt plan. Som en filt som rynkor när den ligger över en kudde, volframdiselenid sträcker sig lokalt när materialskiktet är upphängt på små stödstrukturer. Dessa mekaniska påfrestningar påverkar också de elektroniska energilägena.

"Samspelet mellan materialdefekter och lokala påfrestningar är komplicerat. Men vi har nu lyckats simulera båda effekterna på en dator, "säger Lukas Linhart." Och det visar sig att endast kombinationen av dessa effekter kan förklara de konstiga ljuseffekterna. "

Vid de mikroskopiska områdena av materialet, där defekter och ytbelastningar visas tillsammans, elektronernas energinivåer ändras från ett högt till ett lågenergistillstånd och avger en foton. Kvantfysikens lagar tillåter inte att två elektroner är i exakt samma tillstånd samtidigt, och därför, elektronerna måste genomgå denna process en efter en. Som ett resultat, fotonerna sänds ut en efter en, också.

På samma gång, den mekaniska förvrängningen av materialet hjälper till att ackumulera ett stort antal elektroner i närheten av defekten så att en annan elektron är lätt tillgänglig att kliva in efter att den sista har ändrat tillstånd och avgivit en foton.

Detta resultat illustrerar att ultratunna 2-D-material öppnar helt nya möjligheter för materialvetenskap.