I cosiddetti punti quantici sono una nuova classe di materiali con molte applicazioni. I punti quantici sono realizzati da minuscoli cristalli semiconduttori con dimensioni nell'ordine dei nanometri. Le proprietà ottiche ed elettriche possono essere controllate attraverso la dimensione di questi cristalli. Come QLED, sono già presenti sul mercato nelle ultime generazioni di TV a schermo piatto, dove assicurano una riproduzione dei colori particolarmente brillante e ad alta risoluzione. Però, i punti quantici non sono usati solo come coloranti, sono utilizzati anche nelle celle solari o come dispositivi a semiconduttore, fino ai blocchi di calcolo, i qubit, di un computer quantistico.

Ora, un team guidato dalla dott.ssa Annika Bande presso HZB ha esteso la comprensione dell'interazione tra diversi punti quantici con una visione atomistica in una pubblicazione teorica.

Annika Bande è a capo del gruppo "Teoria della dinamica elettronica e spettroscopia" all'HZB ed è particolarmente interessata alle origini dei fenomeni fisici quantistici. Sebbene i punti quantici siano nanocristalli estremamente piccoli, sono costituiti da migliaia di atomi con, a sua volta, multipli di elettroni. Anche con i supercomputer, la struttura elettronica di un tale cristallo semiconduttore potrebbe difficilmente essere calcolata, sottolinea il chimico teorico, che ha recentemente completato la sua abilitazione alla Freie Universität. "Ma stiamo sviluppando metodi che descrivono approssimativamente il problema, " spiega Bande. "In questo caso, abbiamo lavorato con versioni ridotte di punti quantici di solo un centinaio di atomi, che tuttavia presentano le proprietà caratteristiche dei veri nanocristalli."

Con questo approccio, dopo un anno e mezzo di sviluppo e in collaborazione con il Prof. Jean Christophe Tremblay del CNRS-Université de Lorraine a Metz, siamo riusciti a simulare l'interazione di due punti quantici, ciascuno composto da centinaia di atomi, che scambiano energia tra loro. Nello specifico, abbiamo studiato come questi due punti quantici possono assorbire, scambiano e immagazzinano permanentemente l'energia controllata dalla luce. Un primo impulso luminoso viene utilizzato per l'eccitazione, mentre il secondo impulso luminoso induce la memorizzazione.

In totale, abbiamo studiato tre diverse coppie di punti quantici per catturare l'effetto delle dimensioni e della geometria. Abbiamo calcolato la struttura elettronica con la massima precisione e simulato il movimento elettronico in tempo reale con una risoluzione di femtosecondi (10 ^-15 S).

I risultati sono molto utili anche per la ricerca sperimentale e lo sviluppo in molti campi di applicazione, ad esempio per lo sviluppo di qubit o per supportare la fotocatalisi, per produrre idrogeno gassoso verde dalla luce solare. "Lavoriamo costantemente per estendere i nostri modelli verso descrizioni ancora più realistiche dei punti quantici, "dice Bande, "ad esempio per catturare l'influenza della temperatura e dell'ambiente."