Løsning af mysteriet om kvantelys i tynde lag

Når en strøm påføres et tyndt lag wolframdiselenid, det begynder at lyse på en meget usædvanlig måde. Ud over almindeligt lys, som andre halvledermaterialer kan udsende, wolframdiselenid producerer også en meget speciel type skarpt kvantelys, som kun skabes på bestemte punkter i materialet. Den består af en række fotoner, der altid udsendes én efter én – aldrig i par eller i bundter. Denne anti-bundningseffekt er perfekt til eksperimenter inden for kvanteinformation og kvantekryptografi, hvor enkelte fotoner er påkrævet. Imidlertid, årevis, denne emission er forblevet et mysterium.

Forskere ved TU Wien har nu forklaret dette:En subtil vekselvirkning af enkelte atomare defekter i materialet og mekaniske belastninger er ansvarlige for denne kvantelyseffekt. Computersimuleringer viser, hvordan elektronerne drives til bestemte steder i materialet, hvor de er fanget af en defekt, mister energi og udsender en foton. Løsningen på kvantelyspuslespillet er nu offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

Kun tre atomer tyk

Wolframdiselenid er et todimensionelt materiale, der danner ekstremt tynde lag. Sådanne lag er kun tre atomlag tykke, med wolfram atomer i midten, koblet til selenatomer under og over. "Hvis der tilføres energi til laget, ved at påføre en elektrisk spænding eller ved at bestråle den med lys af en passende bølgelængde, det begynder at skinne, " forklarer Lukas Linhart fra Institut for Teoretisk Fysik ved TU Wien. "Dette i sig selv er ikke usædvanligt, mange materialer gør det. Imidlertid, når lyset udsendt af wolframdiselenid blev analyseret i detaljer, ud over almindeligt lys blev der påvist en speciel type lys med meget usædvanlige egenskaber."

Dette specielle naturkvantelys består af fotoner med specifikke bølgelængder - og de udsendes altid individuelt. Det sker aldrig, at to fotoner af samme bølgelængde detekteres på samme tid. "Dette fortæller os, at disse fotoner ikke kan produceres tilfældigt i materialet, men at der må være visse punkter i wolframdiselenidprøven, der producerer mange af disse fotoner, den ene efter den anden, " forklarer professor Florian Libisch, hvis forskning fokuserer på todimensionelle materialer.

Forklaring af denne effekt kræver detaljeret forståelse af elektronernes adfærd i materialet på et kvantefysisk niveau. Elektroner i wolframdiselenid kan optage forskellige energitilstande. Hvis en elektron skifter fra en tilstand med høj energi til en tilstand med lavere energi, en foton udsendes. Imidlertid, dette spring til en lavere energi er ikke altid tilladt:Elektronen skal overholde visse love - bevarelse af momentum og vinkelmomentum.

Defekter og forvrængninger

På grund af disse fredningslove, en elektron i en højenergikvantetilstand skal forblive der – medmindre visse ufuldkommenheder i materialet tillader energitilstandene at ændre sig. "Et wolfram-diselenidlag er aldrig perfekt. Nogle steder, et eller flere selenatomer kan mangle, " siger Lukas Linhart. "Dette ændrer også energien i elektrontilstandene i denne region."

I øvrigt, materialelaget er ikke et perfekt plan. Som et tæppe, der rynker, når det spredes over en pude, wolframdiselenid strækker sig lokalt, når materialelaget er ophængt på små støttestrukturer. Disse mekaniske spændinger har også indflydelse på de elektroniske energitilstande.

"Samspillet mellem materialefejl og lokale belastninger er kompliceret. det er nu lykkedes at simulere begge effekter på en computer, " siger Lukas Linhart. "Og det viser sig, at kun kombinationen af ​​disse effekter kan forklare de mærkelige lyseffekter."

Ved de mikroskopiske områder af materialet, hvor defekter og overfladespændinger optræder sammen, elektronernes energiniveauer skifter fra en høj til en lav energitilstand og udsender en foton. Kvantefysikkens love tillader ikke to elektroner at være i nøjagtig samme tilstand på samme tid, og derfor, elektronerne skal gennemgå denne proces én efter én. Som resultat, fotonerne udsendes én efter én, såvel.

På samme tid, den mekaniske forvrængning af materialet er med til at akkumulere et stort antal elektroner i nærheden af ​​defekten, så en anden elektron er let tilgængelig til at træde til, efter at den sidste har ændret tilstand og udsendt en foton.

Dette resultat illustrerer, at ultratynde 2-D materialer åbner helt nye muligheder for materialevidenskab.