當(dāng)電流施加在一層薄薄的二硒化鎢上時，它開始以一種極不尋常的方式發(fā)光。除了其他半導(dǎo)體材料可以發(fā)射的普通光外，二硒化鎢還會產(chǎn)生一種非常特殊類型的量子光，這種光只在材料的特定點(diǎn)產(chǎn)生。它由一系列光子組成，這些光子總是一個接一個地發(fā)射，而不是成對或成束地發(fā)射。這種反聚束效應(yīng)對于量子信息和量子密碼學(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)可以說非常完美，在這些領(lǐng)域需要單光子。然而，多年來，這種發(fā)射一直是一個謎。
維也納大學(xué)科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)解釋了這一點(diǎn)：材料中單個原子缺陷的微妙相互作用和機(jī)械應(yīng)變是造成這種量子光效應(yīng)的原因。計(jì)算機(jī)模擬顯示電子如何被驅(qū)動到材料中的特定位置，在那里它們被缺陷捕獲，失去能量并發(fā)射光子。量子光之謎的研究成果現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)表在《物理評論快報(bào)》上。二硒化鎢是一種二維材料，可形成極薄的層，這樣的層只有三個原子層厚，中間有鎢原子，下面和上面的硒原子耦合。維也納大學(xué)理論物理研究所的盧卡斯·林哈特(Lukas Linhart)解釋說：
如果向該層提供能量，例如通過施加電壓或用適當(dāng)波長的光照射它，它就會開始發(fā)光。這本身并不罕見，許多材料都是這樣。然而，當(dāng)詳細(xì)分析二硒化鎢發(fā)出的光時，除了普通光外，還檢測到一種具有非常不尋常特性的特殊類型的光。這種特殊自然量子光由特定波長的光子組成，它們總是單獨(dú)發(fā)射，永遠(yuǎn)不會同時檢測到相同波長的兩個光子。弗洛里安·利比施教授解釋說：這告訴我們，這些光子不能在材料中隨機(jī)產(chǎn)生
但必須在二硒化鎢樣品中存在某些點(diǎn)，這些點(diǎn)一個接一個地產(chǎn)生許多這些光子，其研究重點(diǎn)是二維材料。要解釋這種效應(yīng)，需要在量子物理水平上詳細(xì)了解材料中電子的行為。二硒化鎢中的電子可以占據(jù)不同能態(tài)。如果電子從高能狀態(tài)變?yōu)榈湍軤顟B(tài)，就會發(fā)射光子。然而，這種跳躍到較低能量并不總是被允許：電子必須遵循某些定律，如動量守恒和角動量守恒。由于這些守恒定律，高能量子態(tài)中的電子必須留在那里（除非材料中的某些缺陷允許能態(tài)改變）。
二硒化鎢層從來都不是完美的。在某些地方，一個或多個硒原子可能會丟失，這也改變了這個區(qū)域中電子態(tài)的能量。此外，材料層并不是一個完美的平面，就像毯子鋪在枕頭上時會起皺一樣，當(dāng)材料層懸浮在小的支撐結(jié)構(gòu)上時，二硒化鎢會局部拉伸，這些機(jī)械應(yīng)力對電子能態(tài)也有影響。材料缺陷和局部應(yīng)變的相互作用是復(fù)雜的。然而，科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)成功地在計(jì)算機(jī)上模擬了這兩種影響。事實(shí)證明，只有這些效應(yīng)的組合才能解釋奇怪的光效應(yīng)。
在材料的那些微觀區(qū)域，缺陷和表面應(yīng)變一起出現(xiàn)，電子的能級從高能量狀態(tài)改變到低能量狀態(tài)，并發(fā)射光子。量子物理定律不允許兩個電子同時處于完全相同的狀態(tài)，因此，電子必須一個接一個地經(jīng)歷這個過程。因此，光子也會一個接一個地發(fā)射出來。同時，材料的機(jī)械變形有助于在缺陷附近積累大量電子，以便在最后一個電子已經(jīng)改變其狀態(tài)并發(fā)射光子之后，另一個電子容易進(jìn)入。這一結(jié)果表明，超薄二維材料為材料科學(xué)開辟了全新的可能性。
博科園｜研究/來自：維也納科技大學(xué)
參考期刊《物理評論快報(bào)》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.146401
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