Eine Gruppe hat theoretisch gelöst, wie die Kommunikation zwischen zwei Quantenpunkten kann durch Licht beeinflusst werden. Das Team zeigt Wege auf, wie sich die Informationsübertragung steuern lässt oder Energie von einem Quantenpunkt zum anderen. Dazu berechneten die Forscher die elektronische Struktur zweier Quantenpunkte oder Nanokristalle, die sich wie Quantenpunkte verhalten. Mit den Ergebnissen lässt sich die Bewegung von Elektronen in Quantenpunkten in Echtzeit simulieren. Die sogenannten Quantenpunkte sind eine neue Materialklasse mit vielen Anwendungen. Sie entstehen durch winzige Halbleiterkristalle mit Abmessungen im Nanometerbereich. Über die Größe dieser Kristalle lassen sich die optischen und elektrischen Eigenschaften steuern. In den neuesten Generationen von Flachbildfernsehern auf dem Markt sorgen sie für eine besonders helle und hochauflösende Farbwiedergabe. Quantenpunkte werden aber nicht nur als Farbstoffe, sondern auch in Solarzellen oder als Halbleiterbauelemente eingesetzt. Darüber hinaus finden sie Anwendung bis hin zu Rechenbausteinen, den sogenannten Qubits eines Quantencomputers.
Nun hat ein Team um Dr. Annika Bande am HZB in einer theoretischen Veröffentlichung das Verständnis der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Quantenpunkten um eine atomistische Perspektive erweitert. Annika Bande leitet am HZB die Gruppe Theorie der Elektronendynamik und Spektroskopie und interessiert sich für die Ursprünge quantenphysikalischer Phänomene. Obwohl Quantenpunkte extrem kleine Nanokristalle sind, bestehen sie aus Tausenden von Atomen und Vielfachen von Elektronen. Die Theoretische Chemikerin, die kürzlich an der Freien Universität promoviert hat, betont, dass sich die elektronische Struktur eines solchen Halbleiterkristalls mit Supercomputern kaum berechnen lässt. Die entwickelten Methoden beschreiben das Problem allerdings kaum. In diesem Fall arbeiten wir mit verkleinerten Versionen von Quantenpunkten aus nur etwa hundert Atomen, die die charakteristischen Eigenschaften echter Nanokristalle besitzen.
Mit diesem Ansatz gelang es ihnen nach anderthalb Jahren Entwicklungszeit und in Zusammenarbeit mit Professor Jean Christophe Tremblay von der CNRS-Université de Lorraine in Metz, die Wechselwirkung zweier Quantenpunkte, die jeweils aus Hunderten von Atomen bestehen, zu simulieren. Konkret untersuchten sie, wie diese beiden Quantenpunkte die durch Licht gesteuerte Energie dauerhaft aufnehmen, austauschen und speichern können. Dabei dient ein erster Lichtpuls zur Anregung, während der zweite Lichtpuls die Speicherung bewirkt. Die Forscher untersuchten drei verschiedene Paare von Quantenpunkten, um den Einfluss von Größe und Geometrie zu erfassen. Darüber hinaus berechneten sie die elektronische Struktur mit höchster Präzision und simulierten die elektronische Bewegung in Echtzeit mit einer Auflösung von Femtosekunden (10-15 s).
