Lorsqu'un courant est appliqué à une fine couche de diséléniure de tungstène, il commence à briller d'une manière très inhabituelle. En plus de la lumière ordinaire, quels autres matériaux semi-conducteurs peuvent émettre, Le diséléniure de tungstène produit également un type très spécial de lumière quantique brillante, qui est créé uniquement à des points spécifiques du matériau. Il s'agit d'une série de photons qui sont toujours émis un par un, jamais par paires ou par grappes. Cet effet anti-groupage est parfait pour les expériences dans le domaine de l'information quantique et de la cryptographie quantique, où des photons uniques sont nécessaires. Cependant, pendant des années, cette émission est restée un mystère.

Des chercheurs de la TU de Vienne ont maintenant expliqué ceci :une subtile interaction de défauts atomiques uniques dans le matériau et la contrainte mécanique sont responsables de cet effet de lumière quantique. Les simulations informatiques montrent comment les électrons sont dirigés vers des endroits spécifiques dans le matériau, où ils sont capturés par un défaut, perdre de l'énergie et émettre un photon. La solution du puzzle de la lumière quantique a maintenant été publiée dans Lettres d'examen physique .

Seulement trois atomes d'épaisseur

Le diséléniure de tungstène est un matériau bidimensionnel qui forme des couches extrêmement minces. De telles couches n'ont que trois couches atomiques d'épaisseur, avec des atomes de tungstène au milieu, couplé aux atomes de sélénium ci-dessous et ci-dessus. "Si de l'énergie est fournie à la couche, par exemple en appliquant une tension électrique ou en l'irradiant avec une lumière d'une longueur d'onde appropriée, ça commence à briller, " explique Lukas Linhart de l'Institut de physique théorique de la TU de Vienne. " Ce n'est pas inhabituel en soi, de nombreux matériaux le font. Cependant, lorsque la lumière émise par le diséléniure de tungstène a été analysée en détail, en plus de la lumière ordinaire, un type spécial de lumière aux propriétés très inhabituelles a été détecté."

Cette lumière quantique de nature spéciale se compose de photons de longueurs d'onde spécifiques, et ils sont toujours émis individuellement. Il n'arrive jamais que deux photons de même longueur d'onde soient détectés en même temps. "Cela nous dit que ces photons ne peuvent pas être produits de manière aléatoire dans le matériau, mais qu'il doit y avoir certains points dans l'échantillon de diséléniure de tungstène qui produisent beaucoup de ces photons, l'un après l'autre, " explique le professeur Florian Libisch, dont les recherches portent sur les matériaux bidimensionnels.

Expliquer cet effet nécessite une compréhension détaillée du comportement des électrons dans le matériau à un niveau physique quantique. Les électrons dans le diséléniure de tungstène peuvent occuper différents états d'énergie. Si un électron passe d'un état de haute énergie à un état de plus faible énergie, un photon est émis. Cependant, ce saut vers une énergie inférieure n'est pas toujours autorisé :l'électron doit adhérer à certaines lois :la conservation de la quantité de mouvement et du moment cinétique.

Défauts et distorsions

En raison de ces lois de conservation, un électron dans un état quantique de haute énergie doit y rester, à moins que certaines imperfections du matériau ne permettent aux états d'énergie de changer. "Une couche de diséléniure de tungstène n'est jamais parfaite. À certains endroits, un ou plusieurs atomes de sélénium peuvent être manquants, ", explique Lukas Linhart. "Cela modifie également l'énergie des états électroniques dans cette région."

De plus, la couche de matière n'est pas un plan parfait. Comme une couverture qui se froisse lorsqu'elle est étendue sur un oreiller, Le diséléniure de tungstène s'étire localement lorsque la couche de matériau est suspendue sur de petites structures de support. Ces contraintes mécaniques ont également un effet sur les états d'énergie électronique.

"L'interaction des défauts de matériaux et des contraintes locales est compliquée. Cependant, nous avons maintenant réussi à simuler les deux effets sur un ordinateur, " dit Lukas Linhart. " Et il s'avère que seule la combinaison de ces effets peut expliquer les étranges effets de lumière. "

Dans ces régions microscopiques du matériau, où les défauts et les déformations de surface apparaissent ensemble, les niveaux d'énergie des électrons passent d'un état d'énergie élevée à un état d'énergie faible et émettent un photon. Les lois de la physique quantique ne permettent pas à deux électrons d'être exactement dans le même état en même temps, et donc, les électrons doivent subir ce processus un par un. Par conséquent, les photons sont émis un à un, également.

À la fois, la distorsion mécanique du matériau aide à accumuler un grand nombre d'électrons à proximité du défaut de sorte qu'un autre électron est facilement disponible pour intervenir après que le dernier a changé d'état et émis un photon.

Ce résultat illustre que les matériaux 2D ultrafins ouvrent des possibilités complètement nouvelles pour la science des matériaux.