Quando viene applicata una corrente a un sottile strato di diseleniuro di tungsteno, comincia a brillare in un modo molto insolito. Oltre alla normale luce, che altri materiali semiconduttori possono emettere, il diseleniuro di tungsteno produce anche un tipo molto speciale di luce quantica brillante, che viene creato solo in punti specifici del materiale. Consiste in una serie di fotoni che vengono sempre emessi uno per uno, mai in coppia o in gruppi. Questo effetto anti-bunching è perfetto per esperimenti nel campo dell'informazione quantistica e della crittografia quantistica, dove sono richiesti singoli fotoni. Però, per anni, questa emissione è rimasta un mistero.

I ricercatori della TU Vienna hanno ora spiegato questo:una sottile interazione di singoli difetti atomici nel materiale e la deformazione meccanica sono responsabili di questo effetto di luce quantistica. Le simulazioni al computer mostrano come gli elettroni vengono guidati in punti specifici del materiale, dove sono catturati da un difetto, perde energia ed emette un fotone. La soluzione al puzzle della luce quantistica è stata ora pubblicata su Lettere di revisione fisica .

Solo tre atomi di spessore

Il diseleniuro di tungsteno è un materiale bidimensionale che forma strati estremamente sottili. Tali strati sono spessi solo tre strati atomici, con atomi di tungsteno nel mezzo, accoppiato ad atomi di selenio sotto e sopra. "Se viene fornita energia allo strato, ad esempio applicando una tensione elettrica o irradiandola con luce di lunghezza d'onda opportuna, comincia a brillare, " spiega Lukas Linhart dell'Istituto di Fisica Teorica della TU Vienna. "Questo di per sé non è insolito, molti materiali lo fanno. Però, quando la luce emessa dal diseleniuro di tungsteno è stata analizzata in dettaglio, oltre alla luce ordinaria è stato rilevato un tipo speciale di luce con proprietà molto insolite."

Questa luce quantistica di natura speciale è costituita da fotoni di lunghezze d'onda specifiche e vengono sempre emessi individualmente. Non succede mai che due fotoni della stessa lunghezza d'onda vengano rilevati contemporaneamente. "Questo ci dice che questi fotoni non possono essere prodotti casualmente nel materiale, ma che ci devono essere alcuni punti nel campione di diseleniuro di tungsteno che producono molti di questi fotoni, uno dopo l'altro, " spiega il professor Florian Libisch, la cui ricerca si concentra sui materiali bidimensionali.

Spiegare questo effetto richiede una comprensione dettagliata del comportamento degli elettroni nel materiale a livello fisico quantistico. Gli elettroni nel diseleniuro di tungsteno possono occupare diversi stati energetici. Se un elettrone passa da uno stato di alta energia a uno stato di energia inferiore, viene emesso un fotone. Però, questo salto a un'energia inferiore non è sempre consentito:l'elettrone deve aderire a determinate leggi:la conservazione della quantità di moto e del momento angolare.

Difetti e distorsioni

A causa di queste leggi di conservazione, un elettrone in uno stato quantico di alta energia deve rimanere lì, a meno che certe imperfezioni nel materiale non permettano agli stati energetici di cambiare. "Uno strato di diseleniuro di tungsteno non è mai perfetto. In alcuni punti, possono mancare uno o più atomi di selenio, " dice Lukas Linhart. "Questo cambia anche l'energia degli stati degli elettroni in questa regione".

Inoltre, lo strato di materiale non è un piano perfetto. Come una coperta che si stropiccia quando stesa su un cuscino, il diseleniuro di tungsteno si allunga localmente quando lo strato di materiale è sospeso su piccole strutture di supporto. Queste sollecitazioni meccaniche influiscono anche sugli stati energetici elettronici.

"L'interazione tra difetti del materiale e deformazioni locali è complicata. Tuttavia, ora siamo riusciti a simulare entrambi gli effetti su un computer, " dice Lukas Linhart. "E si scopre che solo la combinazione di questi effetti può spiegare gli strani effetti di luce".

In quelle regioni microscopiche del materiale, dove i difetti e le deformazioni superficiali appaiono insieme, i livelli di energia degli elettroni cambiano da uno stato ad alta energia a uno a bassa energia ed emettono un fotone. Le leggi della fisica quantistica non consentono a due elettroni di trovarsi esattamente nello stesso stato contemporaneamente, e quindi, gli elettroni devono subire questo processo uno per uno. Di conseguenza, i fotoni vengono emessi uno per uno, anche.

Allo stesso tempo, la distorsione meccanica del materiale aiuta ad accumulare un gran numero di elettroni in prossimità del difetto in modo che un altro elettrone sia prontamente disponibile per intervenire dopo che l'ultimo ha cambiato stato ed ha emesso un fotone.

Questo risultato mostra che i materiali 2-D ultrasottili aprono possibilità completamente nuove per la scienza dei materiali.