Cuando se aplica una corriente a una fina capa de diselenuro de tungsteno, comienza a brillar de una manera muy inusual. Además de la luz ordinaria, qué otros materiales semiconductores pueden emitir, El diselenuro de tungsteno también produce un tipo muy especial de luz cuántica brillante, que se crea solo en puntos específicos del material. Consiste en una serie de fotones que siempre se emiten uno a uno, nunca en pares o en racimos. Este efecto anti-agrupamiento es perfecto para experimentos en el campo de la información cuántica y la criptografía cuántica. donde se requieren fotones individuales. Sin embargo, durante años, esta emisión sigue siendo un misterio.

Los investigadores de TU Vienna ahora han explicado esto:una interacción sutil de defectos atómicos individuales en el material y la tensión mecánica son responsables de este efecto de luz cuántica. Las simulaciones por computadora muestran cómo los electrones son conducidos a lugares específicos en el material, donde son capturados por un defecto, pierden energía y emiten un fotón. La solución al rompecabezas de la luz cuántica se ha publicado ahora en Cartas de revisión física .

Solo tres átomos de espesor

El diselenuro de tungsteno es un material bidimensional que forma capas extremadamente delgadas. Tales capas tienen solo tres capas atómicas de espesor, con átomos de tungsteno en el medio, acoplado a átomos de selenio por debajo y por encima. "Si se suministra energía a la capa, por ejemplo, aplicando un voltaje eléctrico o irradiándolo con luz de una longitud de onda adecuada, empieza a brillar, ", explica Lukas Linhart del Instituto de Física Teórica de la TU de Viena." Esto en sí mismo no es inusual, muchos materiales hacen eso. Sin embargo, cuando se analizó en detalle la luz emitida por diselenuro de tungsteno, además de la luz ordinaria, se detectó un tipo especial de luz con propiedades muy inusuales ".

Esta luz cuántica de naturaleza especial consta de fotones de longitudes de onda específicas, y siempre se emiten individualmente. Nunca sucede que se detecten al mismo tiempo dos fotones de la misma longitud de onda. "Esto nos dice que estos fotones no se pueden producir al azar en el material, pero que debe haber ciertos puntos en la muestra de diselenuro de tungsteno que producen muchos de estos fotones, uno después del otro, "explica el profesor Florian Libisch, cuya investigación se centra en materiales bidimensionales.

Explicar este efecto requiere una comprensión detallada del comportamiento de los electrones en el material a nivel físico cuántico. Los electrones en diselenuro de tungsteno pueden ocupar diferentes estados de energía. Si un electrón cambia de un estado de alta energía a un estado de menor energía, se emite un fotón. Sin embargo, este salto a una energía más baja no siempre está permitido:el electrón debe adherirse a ciertas leyes:la conservación del momento y el momento angular.

Defectos y distorsiones

Debido a estas leyes de conservación, un electrón en un estado cuántico de alta energía debe permanecer allí, a menos que ciertas imperfecciones en el material permitan que cambien los estados de energía. "Una capa de diselenuro de tungsteno nunca es perfecta. En algunos lugares, pueden faltar uno o más átomos de selenio, ", dice Lukas Linhart." Esto también cambia la energía de los estados de los electrones en esta región ".

Es más, la capa de material no es un plano perfecto. Como una manta que se arruga cuando se extiende sobre una almohada, El diselenuro de tungsteno se estira localmente cuando la capa de material está suspendida sobre pequeñas estructuras de soporte. Estas tensiones mecánicas también tienen un efecto sobre los estados de energía electrónicos.

"La interacción de defectos materiales y deformaciones locales es complicada. Sin embargo, ahora hemos logrado simular ambos efectos en una computadora, "dice Lukas Linhart." Y resulta que solo la combinación de estos efectos puede explicar los extraños efectos de luz ".

En esas regiones microscópicas del material, donde los defectos y las deformaciones superficiales aparecen juntos, los niveles de energía de los electrones cambian de un estado de alta a una baja energía y emiten un fotón. Las leyes de la física cuántica no permiten que dos electrones estén exactamente en el mismo estado al mismo tiempo, y por lo tanto, los electrones deben pasar por este proceso uno por uno. Como resultado, los fotones se emiten uno a uno, así como.

Al mismo tiempo, la distorsión mecánica del material ayuda a acumular una gran cantidad de electrones en las proximidades del defecto, de modo que otro electrón está disponible para intervenir después de que el último haya cambiado de estado y haya emitido un fotón.

Este resultado ilustra que los materiales 2-D ultradelgados abren posibilidades completamente nuevas para la ciencia de los materiales.