Les points dits quantiques sont une nouvelle classe de matériaux avec de nombreuses applications. Les points quantiques sont constitués de minuscules cristaux semi-conducteurs dont les dimensions sont de l'ordre du nanomètre. Les propriétés optiques et électriques peuvent être contrôlées par la taille de ces cristaux. En tant que QLED, ils sont déjà sur le marché dans les dernières générations d'écrans plats TV, où ils assurent une reproduction des couleurs particulièrement brillante et à haute résolution. Cependant, les points quantiques ne sont pas seulement utilisés comme colorants, ils sont également utilisés dans les cellules solaires ou comme dispositifs semi-conducteurs, jusqu'aux briques de calcul, les qubits, d'un ordinateur quantique.

Maintenant, une équipe dirigée par le Dr Annika Bande à HZB a étendu la compréhension de l'interaction entre plusieurs points quantiques avec une vue atomistique dans une publication théorique.

Annika Bande dirige le groupe « Théorie de la dynamique électronique et de la spectroscopie » au HZB et s'intéresse particulièrement aux origines des phénomènes physiques quantiques. Bien que les points quantiques soient des nanocristaux extrêmement petits, ils sont constitués de milliers d'atomes avec, à son tour, multiples d'électrons. Même avec des supercalculateurs, la structure électronique d'un tel cristal semi-conducteur pouvait difficilement être calculée, souligne le chimiste théoricien, qui a récemment terminé son habilitation à la Freie Universität. "Mais nous développons des méthodes qui décrivent le problème approximativement, " explique Bande. " Dans ce cas, nous avons travaillé avec des versions de points quantiques réduites d'une centaine d'atomes seulement, qui présentent néanmoins les propriétés caractéristiques des vrais nanocristaux.

Avec cette approche, après un an et demi de développement et en collaboration avec le Pr Jean Christophe Tremblay du CNRS-Université de Lorraine à Metz, nous avons réussi à simuler l'interaction de deux boîtes quantiques, chacun composé de centaines d'atomes, qui échangent de l'énergie entre eux. Spécifiquement, nous avons étudié comment ces deux points quantiques peuvent absorber, échanger et stocker en permanence l'énergie contrôlée par la lumière. Une première impulsion lumineuse est utilisée pour l'excitation, tandis que la deuxième impulsion lumineuse induit le stockage.

Au total, nous avons étudié trois paires différentes de points quantiques pour capturer l'effet de la taille et de la géométrie. Nous avons calculé la structure électronique avec la plus grande précision et simulé le mouvement électronique en temps réel à une résolution femtoseconde (10 ^-15 s).

Les résultats sont également très utiles pour la recherche expérimentale et le développement dans de nombreux domaines d'application, par exemple pour le développement de qubits ou pour supporter la photocatalyse, produire de l'hydrogène gazeux vert par la lumière du soleil. "Nous travaillons constamment à étendre nos modèles vers des descriptions encore plus réalistes des points quantiques, " dit Bande, "par exemple pour capturer l'influence de la température et de l'environnement."