解决薄层中的量子光之谜–终于解释了异乎寻常的现象

表面的局部变形将电子推向缺陷附近。只有缺陷和应变的结合才能解释这种新型的量子光。

这是一种奇特的现象，多年来没有人能解释：当向薄的二硒化钨材料提供能量时，它开始以非常不寻常的方式发光。除了其他半导体材料也可以发出的普通光之外，二硒化钨还产生一种非常特殊的类型的明亮量子光，该光仅在材料的特定点处产生。它由一系列光子组成，这些光子总是一个一个地发射-决不成对或成束地发射。这种反聚束效应非常适合需要单光子的量子信息和量子密码学领域的实验。然而，多年来，这种排放一直是个谜。

在维也纳工业大学，现已找到一种解释：材料中单个原子缺陷与机械应变之间的微妙相互作用是造成这种量子光效应的原因。计算机仿真显示了电子如何被驱动到材料中的特定位置，在那里它们被缺陷捕获，损失能量并发射光子。量子光难题的解决方案现已发表在《物理评论快报》上。

只有三个原子厚

二硒化钨是形成极薄层的所谓“二维材料”。这样的层只有三个原子层厚：中间有钨原子，下方和上方与硒原子耦合。维也纳工业大学理论物理研究所的卢卡斯·林哈特（Lukas Linhart）解释说：“如果将能量提供给该层，例如通过施加电压或用适当波长的光对其进行照射，它就会开始发光。”“这本身并不罕见，许多材料都这样做。但是，当对二硒化钨发出的光进行详细分析时，除了普通光之外，还检测到一种具有非常不同寻常性质的特殊光。”

Lukas Linhart（左）和Florian Libisch（右）。

这种特殊的性质的量子光由特定波长的光子组成，并且它们始终是不连续发射的。永远不会同时检测到两个相同波长的光子。“这告诉我们这些光子不能在材料中随机产生，但是二硒化钨样品中一定存在某些点，一个接一个地产生许多这些光子，”毕业生发言人弗洛里安·利比施教授解释说。维也纳工业大学的TU-D学校专注于二维材料。

解释这种效应需要在量子物理水平上详细了解材料中电子的行为。二硒化钨中的电子可以占据不同的能量状态。如果电子从高能状态转变为低能状态，则会发出光子。但是，并非总是允许跳到更低的能量：电子必须遵守某些定律-动量和角动量的守恒。

缺陷和变形

由于这些守恒定律，除非材料中的某些缺陷使能态发生变化，否则高能量子态的电子必须保留在那里。“二硒化钨层从来都不是完美的。在某些地方，一个或多个硒原子可能会丢失。” Lukas Linhart说。“这也改变了该区域电子态的能量。”

而且，材料层不是完美的平面。就像铺在枕头上时会起皱的毯子一样，当材料层悬挂在小型支撑结构上时，二硒化钨会局部拉伸。这些机械应力也影响电子能态。

“材料缺陷和局部应变的相互作用非常复杂。但是，我们现在已经成功地模拟了两种对计算机的影响。” Lukas Linhart说。“事实证明，只有这些效果的组合才能解释奇怪的灯光效果。”在材料的那些微观区域（缺陷和表面应变同时出现），电子的能级从高能态变为低能态并发射光子。量子物理学定律不允许两个电子同时处于完全相同的状态，因此电子必须一个接一个地经历此过程。这导致光子也被一一发射。

同时，材料的机械变形有助于在缺陷附近积聚大量电子，因此在最后一个电子改变状态并发射光子后，另一电子很容易进入。

这一结果说明，超薄2D材料为材料科学开辟了全新的可能性。

参考：Lukas Linhart，Matthias Paur，Valerie Smejkal，JoachimBurgdörfer，Thomas Mueller和Florian Libisch撰写的“ WSe2中作为单光子发射器的局部Intervalley缺陷激子”，物理评论快报。DOI：
10.1103 / PhysRevLett.123.146401