Es un fenómeno exótico que nadie pudo explicar durante años: cuando se suministra energía a una capa delgada del material diselenuro de tungsteno, comienza a brillar de una manera muy inusual. Además de la luz ordinaria, que otros materiales semiconductorestambién puede 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 por uno, nunca en pares oen 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 ha seguido siendo un misterio.
En el TU Vienna se ha encontrado una explicación: una interacción sutil de defectos atómicos únicos en el material y la tensión mecánica es responsable de este efecto de luz cuántica. Las simulaciones por computadora muestran cómo los electrones son conducidos a lugares específicos del material, dondeson capturados por un defecto, pierden energía y emiten un fotón. La solución al rompecabezas de la luz cuántica ahora se ha publicado en la revista Cartas de revisión física .
solo tres átomos de espesor
El diselenuro de tungsteno es un llamado "material bidimensional" que forma capas extremadamente delgadas. Estas capas tienen solo tres capas atómicas de espesor: hay átomos de tungsteno en el medio, acoplados a los átomos de selenio debajo y arriba ". Si la energía essuministrado a la capa, por ejemplo, aplicando un voltaje eléctrico o irradiándola con luz de una longitud de onda adecuada, comienza a brillar ", explica Lukas Linhart, del Instituto de Física Teórica de la TU Viena." Esto en sí mismo no es inusual, muchos materiales hacen eso. Sin embargo, cuando la luz emitida por el diselenuro de tungsteno se analizó en detalle, además de la luz ordinaria se detectó un tipo especial de luz con propiedades muy inusuales ".
Esta luz cuántica de naturaleza especial consiste en fotones de longitudes de onda específicas, y siempre se emiten individualmente. Nunca sucede que dos fotones de la misma longitud de onda se detecten al mismo tiempo ". Esto nos dice que estos fotones no pueden ser producidos aleatoriamenteen el material, pero que debe haber ciertos puntos en la muestra de diselenuro de tungsteno que producen muchos de estos fotones, uno tras otro ", explica el profesor Florian Libisch, portavoz de la Escuela de Graduados TU-D en la TU Viena con un enfoqueen materiales bidimensionales.
Explicar este efecto requiere la comprensión detallada del comportamiento de los electrones en el material en un nivel físico cuántico. Los electrones en el diselenuro de tungsteno pueden ocupar diferentes estados de energía. Si un electrón cambia de un estado de alta energía a un estado de energía más baja, se emite un fotón. Sin embargo, este salto a una energía más baja no siempre está permitido: el electrón tiene que 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 los estados de energía cambien ". Una capa de diselenuro de tungsteno nunca es perfecta. En algunos lugares, uno o más seleniopueden faltar átomos ", dice Lukas Linhart." Esto también cambia la energía de los estados de electrones en esta región ".
Además, la capa de material no es un plano perfecto. Al igual que una manta que se arruga cuando se extiende sobre una almohada, el diselenuro de tungsteno se estira localmente cuando la capa de material se suspende en pequeñas estructuras de soporte. Estas tensiones mecánicas también tienen un efecto sobre la energía electrónicaestados
"La interacción de defectos materiales y cepas 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 juntas, los niveles de energía de los electrones cambian de un estado de energía alto a uno bajo y emiten un fotón. Las leyes de la física cuántica no permiten que se formen dos electrones.exactamente en el mismo estado al mismo tiempo, y por lo tanto los electrones deben someterse a este proceso uno por uno. Esto lleva a que los fotones se emitan uno por uno también.
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 fácilmente disponible para intervenir después de que el último haya cambiado su estado y emitido un fotón.
Este resultado ilustra que los materiales 2D ultrafinos abren posibilidades completamente nuevas para la ciencia de los materiales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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