PRIX NOBEL DE CHIMIE 2023

Pourquoi parle-t-on de boîte quantique ?

Dès la naissance de la mécanique quantique, dans les années 1920, les physiciens se sont intéressés au problème de la « particule dans une boîte ». Ils ont prédit que la longueur d’onde de la lumière émise par une nanoparticule d’un matériau semi-conducteur dépendait de sa taille. Ce phénomène est dû au fait que l’énergie libérée sous forme de lumière – pour que les électrons excités retournent vers l’état fondamental – est quantifiée : elle prend des valeurs discrètes qui varient avec la dimension de la boîte. Lorsque la taille des particules diminue, la largeur de la bande interdite augmente, la longueur d’onde de l’émission diminue et le spectre lumineux se décale vers la couleur bleue. De nombreux chercheurs se sont intéressés à cette prédiction jusqu’à ce qu’Alexeï Ekimov en apporte la première vérification expérimentale. Au début des années 1980, il a synthétisé des verres contenant du chlorure de cuivre (CuCl) et, en effectuant des traitements thermiques de durée variable et à différentes températures, il a obtenu des verres contenant des particules nanométriques de diverses tailles, qu’il a mesurées par diffusion des rayons X par les nanoparticules. En étudiant l’absorption de la lumière par le verre en fonction de sa couleur, il s’est rendu compte que ces nanoparticules se comportaient comme des matériaux semi-conducteurs et que la largeur de la bande interdite des particules variait linéairement avec l’inverse du carré du rayon des nanoparticules. C’est ainsi qu’il a démontré expérimentalement la loi prédite par les physiciens de la mécanique quantique. Il devenait ainsi possible d’ajuster la couleur émise par les nanoparticules (boîtes quantiques) en contrôlant leur taille lors de leur synthèse. À cette époque, la méthode de fabrication de ces boîtes quantiques à l’intérieur d’un verre ne permettait pas d’envisager leur utilisation malgré les nombreuses applications pressenties.