Dialog zwischen Quantenpunkten
Nanokristalle tauschen kontrolliert Energie des Lichts aus und speichern diese.
Quantenpunkte – winzige Halbleiterkristalle mit Abmessungen im Nanometerbereich – bieten viele Anwendungsmöglichkeiten. Über die Größe dieser Kristalle lassen sich die optischen und elektrischen Eigenschaften kontrollieren. Als QLEDs sind sie bereits in den neuesten Generationen von Flachbildschirmen auf dem Markt, wo sie für eine besonders brillante und hochaufgelöste Farbwiedergabe sorgen. Doch nicht nur als „Farbstoffe“ werden Quantenpunkte genutzt, sondern auch in Solarzellen oder als Halbleiterbauelemente, bis hin Qubits in einem Quantencomputer. Nun hat ein Team um Annika Bande am Helmholtz-Zentrum Berlin mit einer theoretischen Arbeit das Verständnis der Wechselwirkung zwischen mehreren Quantenpunkten mit einer atomistischen Betrachtung erweitert.
![Abb.: Die Illustration zeigt zwei Quantenpunkte, die über Lichtpulse...](/media/story_section_image/7608/img-01-210609-for-quantenpunkte-hzb-850.jpg)
Annika Bande leitet die Gruppe „Theorie der Elektronendynamik und Spektroskopie“ und interessiert sich besonders für die Ursprünge von quantenphysikalischen Phänomenen. Auch wenn es sich bei Quantenpunkten um extrem winzige Nanokristalle handelt, bestehen diese doch aus tausenden von Atomen mit wiederum einem Vielfachen von Elektronen. Selbst mit Supercomputern ließe sich die elektronische Struktur eines solchen Halbleiterkristalls kaum berechnen. „Wir entwickeln aber Methoden, um das Problem näherungsweise zu beschreiben“, erklärt Bande. „In diesem Fall haben wir im Computer mit verkleinerten Quantenpunktversionen aus nur etwa hundert Atomen gearbeitet, die aber trotzdem die wesentlichen Eigenschaften realer Nanokristalle besitzen."
Mit diesem Ansatz ist es nach anderthalb Jahren Entwicklung und in Zusammenarbeit mit Jean Christophe Tremblay von der CNRS-Université de Lorraine in Metz gelungen, zwei Quantenpunkte aus jeweils hunderten Atomen miteinander Energie austauschen zu lassen. Konkret wurde von Bande und Kollegen untersucht, wie diese zwei Quantenpunkte kontrolliert die Energie des Lichts aufnehmen, austauschen und dauerhaft speichern können. Dabei dient ein erster Lichtpuls zur Anregung, während der zweite Lichtpuls die Abspeicherung bewirkt. Insgesamt wurden drei verschiedene Quantenpunktpaare untersucht, um den Effekt von Größe und Geometrie zu erfassen. Dazu haben die Forscher die Elektronenstruktur mit höchster Präzision berechnet und die Bewegungen der Elektronen in Echtzeit bei einer Auflösung von Femtosekunden simuliert.
Die Ergebnisse sind auch für die experimentelle Forschung und Entwicklung in vielen Anwendungsfeldern sehr nützlich, zum Beispiel für die Entwicklung von Qubits oder als Baustein für die Photokatalyse, bei der mit Sonnenlicht grüner Wasserstoff erzeugt wird. „Wir arbeiten stetig daran, unsere Modelle hin zu noch realistischeren Beschreibungen von Quantenpunkten zu erweitern,“ sagt Bande, „zum Beispiel, um den Einfluss von Temperatur und Umgebung zu erfassen.“
HZB / JOL
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
P. Krause et al.: Atomistic Simulations of Laser-Controlled Exciton Transfer and Stabilization in Symmetric Double Quantum Dots, J. Phys. Chem. A, online 28. Mai 2021; DOI: 10.1021/acs.jpca.1c02501 - Theorie der Elektronendynamik und Spektroskopie (A. Bande), Helmholtz Zentrum Berlin