Wanneer een stroom wordt toegepast op een dunne laag wolfraamdiselenide, het begint op een hoogst ongebruikelijke manier te gloeien. Naast gewoon licht, welke andere halfgeleidermaterialen kunnen uitzenden, wolfraamdiselenide produceert ook een heel speciaal type helder kwantumlicht, die alleen op specifieke punten van het materiaal wordt gemaakt. Het bestaat uit een reeks fotonen die altijd één voor één worden uitgezonden - nooit in paren of in bundels. Dit anti-bundeleffect is perfect voor experimenten op het gebied van kwantuminformatie en kwantumcryptografie, waar enkele fotonen nodig zijn. Echter, voor jaren, deze emissie is een mysterie gebleven.

Onderzoekers van de TU Wenen hebben dit nu uitgelegd:een subtiele interactie van enkele atoomdefecten in het materiaal en mechanische spanning zijn verantwoordelijk voor dit kwantumlichteffect. Computersimulaties laten zien hoe de elektronen naar specifieke plaatsen in het materiaal worden gedreven, waar ze worden opgevangen door een defect, energie verliezen en een foton uitzenden. De oplossing voor de kwantumlichtpuzzel is nu gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Slechts drie atomen dik

Tungsten diselenide is een tweedimensionaal materiaal dat extreem dunne lagen vormt. Dergelijke lagen zijn slechts drie atoomlagen dik, met wolfraamatomen in het midden, gekoppeld aan seleniumatomen onder en boven. "Als er energie aan de laag wordt geleverd, bijvoorbeeld door een elektrische spanning aan te leggen of deze te bestralen met licht van een geschikte golflengte, het begint te schijnen, " legt Lukas Linhart van het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wenen uit. "Dit is op zich niet ongebruikelijk, veel materialen doen dat. Echter, toen het door wolfraamdiselenide uitgestraalde licht in detail werd geanalyseerd, naast gewoon licht werd een speciaal type licht met zeer ongebruikelijke eigenschappen gedetecteerd."

Dit speciale kwantumlicht bestaat uit fotonen van specifieke golflengten - en ze worden altijd afzonderlijk uitgezonden. Het gebeurt nooit dat twee fotonen van dezelfde golflengte tegelijkertijd worden gedetecteerd. "Dit vertelt ons dat deze fotonen niet willekeurig in het materiaal kunnen worden geproduceerd, maar dat er bepaalde punten in het wolfraamdiselenidemonster moeten zijn die veel van deze fotonen produceren, de een na de ander, " legt professor Florian Libisch uit, wiens onderzoek zich richt op tweedimensionale materialen.

Het verklaren van dit effect vereist een gedetailleerd begrip van het gedrag van de elektronen in het materiaal op kwantumfysisch niveau. Elektronen in wolfraamdiselenide kunnen verschillende energietoestanden innemen. Als een elektron verandert van een toestand van hoge energie naar een toestand van lagere energie, een foton wordt uitgezonden. Echter, deze sprong naar een lagere energie is niet altijd toegestaan:het elektron moet zich aan bepaalde wetten houden - het behoud van momentum en impulsmoment.

Defecten en vervormingen

Door deze behoudswetten, een elektron in een kwantumtoestand met hoge energie moet daar blijven - tenzij bepaalde onvolkomenheden in het materiaal de energietoestanden laten veranderen. "Een wolfraamdiselenidelaag is nooit perfect. Op sommige plaatsen een of meer seleniumatomen kunnen ontbreken, ", zegt Lukas Linhart. "Dit verandert ook de energie van de elektronentoestanden in dit gebied."

Bovendien, de materiaallaag is geen perfect vlak. Als een deken die kreukt als hij over een kussen wordt uitgespreid, wolfraamdiselenide rekt lokaal uit wanneer de materiaallaag op kleine steunstructuren wordt opgehangen. Deze mechanische spanningen hebben ook een effect op de elektronische energietoestanden.

"De interactie van materiaaldefecten en lokale spanningen is gecompliceerd. we zijn er nu in geslaagd om beide effecten op een computer te simuleren, ", zegt Lukas Linhart. "En het blijkt dat alleen de combinatie van deze effecten de vreemde lichteffecten kan verklaren."

Op die microscopisch kleine delen van het materiaal, waar defecten en oppervlaktespanningen samen voorkomen, de energieniveaus van de elektronen veranderen van een hoge naar een lage energietoestand en zenden een foton uit. De wetten van de kwantumfysica staan ​​niet toe dat twee elektronen zich tegelijkertijd in exact dezelfde toestand bevinden, en daarom, de elektronen moeten dit proces één voor één doorlopen. Als resultaat, de fotonen worden één voor één uitgezonden, ook.

Tegelijkertijd, de mechanische vervorming van het materiaal helpt om een ​​groot aantal elektronen in de buurt van het defect te accumuleren, zodat een ander elektron gemakkelijk beschikbaar is om in te stappen nadat het laatste van toestand is veranderd en een foton heeft uitgezonden.

Dit resultaat illustreert dat ultradunne 2D-materialen volledig nieuwe mogelijkheden bieden voor materiaalwetenschap.