當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。除了其他半導體材料可以發(fā)射的普通光外，二硒化鎢還會產生一種非常特殊類型的量子光，這種光只在材料的特定點產生。

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。這種反聚束效應對于量子信息和量子密碼學領域的實驗可以說非常完美，在這些領域需要單光子。然而，多年來，這種發(fā)射一直是一個謎。

維也納大學科學家現在已經解釋了這一點：材料中單個原子缺陷的微妙相互作用和機械應變是造成這種量子光效應的原因。計算機模擬顯示電子如何被驅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在已經發(fā)表在《物理評論快報》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，當詳細分析二硒化鎢發(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，它們總是單獨發(fā)射，永遠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產生

但必須在二硒化鎢樣品中存在某些點，這些點一個接一個地產生許多這些光子，其研究重點是二維材料。要解釋這種效應，需要在量子物理水平上詳細了解材料中電子的行為。二硒化鎢中的電子可以占據不同能態(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）。

缺陷和扭曲

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，當材料層懸浮在小的支撐結構上時，二硒化鎢會局部拉伸，這些機械應力對電子能態(tài)也有影響。材料缺陷和局部應變的相互作用是復雜的。然而，科學家們現在已經成功地在計算機上模擬了這兩種影響。事實證明，只有這些效應的組合才能解釋奇怪的光效應。

在材料的那些微觀區(qū)域，缺陷和表面應變一起出現，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改變其狀態(tài)并發(fā)射光子之后，另一個電子容易進入。這一結果表明，超薄二維材料為材料科學開辟了全新的可能性。

博科園｜研究/來自：維也納科技大學

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.146401

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