09.06.2021

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...
Abb.: Die Illustration zeigt zwei Quanten­punkte, die über Lichtpulse miteinander kommuni­zieren. (Bild: HZB)

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

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