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破解量子光之谜!量子物理定律不允许两个电子,同时处于完全相同的状态!

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发表于 2020-9-21 09:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
破解量子光之谜!量子物理定律不允许两个电子,同时处于完全相同的状态!

Original 手机软件:博科园
天文物理 5 days ago



当电流施加在一层薄薄的二硒化钨上时,它开始以一种极不寻常的方式发光。除了其他半导体材料可以发射的普通光外,二硒化钨还会产生一种非常特殊类型的量子光,这种光只在材料的特定点产生。它由一系列光子组成,这些光子总是一个接一个地发射,而不是成对或成束地发射。这种反聚束效应对于量子信息和量子密码学领域的实验可以说非常完美,在这些领域需要单光子。然而,多年来,这种发射一直是一个谜。
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维也纳大学科学家现在已经解释了这一点:材料中单个原子缺陷的微妙相互作用和机械应变是造成这种量子光效应的原因。计算机模拟显示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,失去能量并发射光子。量子光之谜的研究成果现在已经发表在《物理评论快报》上。二硒化钨是一种二维材料,可形成极薄的层,这样的层只有三个原子层厚,中间有钨原子,下面和上面的硒原子耦合。
维也纳大学理论物理研究所的卢卡斯·林哈特(Lukas Linhart)解释说:如果向该层提供能量,例如通过施加电压或用适当波长的光照射它,它就会开始发光。这本身并不罕见,许多材料都是这样。然而,当详细分析二硒化钨发出的光时,除了普通光外,还检测到一种具有非常不寻常特性的特殊类型的光。
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这种特殊自然量子光由特定波长的光子组成,它们总是单独发射,永远不会同时检测到相同波长的两个光子。弗洛里安·利比施教授解释说:这告诉我们,这些光子不能在材料中随机产生但必须在二硒化钨样品中存在某些点,这些点一个接一个地产生许多这些光子,其研究重点是二维材料。要解释这种效应,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能态。如果电子从高能状态变为低能状态,就会发射光子。

然而,这种跳跃到较低能量并不总是被允许:电子必须遵循某些定律,如动量守恒和角动量守恒。由于这些守恒定律,高能量子态中的电子必须留在那里(除非材料中的某些缺陷允许能态改变)。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,这也改变了这个区域中电子态的能量。

缺陷和扭曲
此外,材料层并不是一个完美的平面,就像毯子铺在枕头上时会起皱一样,当材料层悬浮在小的支撑结构上时,二硒化钨会局部拉伸,这些机械应力对电子能态也有影响。材料缺陷和局部应变的相互作用是复杂的。然而,科学家们现在已经成功地在计算机上模拟了这两种影响。事实证明,只有这些效应的组合才能解释奇怪的光效应。
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在材料的那些微观区域,缺陷和表面应变一起出现,电子的能级从高能量状态改变到低能量状态,并发射光子。量子物理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这个过程。因此,光子也会一个接一个地发射出来。同时,材料的机械变形有助于在缺陷附近积累大量电子,以便在最后一个电子已经改变其状态并发射光子之后,另一个电子容易进入。这一结果表明,超薄二维材料为材料科学开辟了全新的可能性。


博科园|研究/来自:维也纳科技大学
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.146401


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