La restriction du mouvement des électrons dans un matériau à des niveaux d'énergie discrets en raison de sa petite taille.Le confinement quantique est un phénomène qui se produit lorsque le mouvement des électrons ou d'autres porteurs de charge est restreint dans une ou plusieurs dimensions spatiales à une échelle comparable à leur longueur d'onde de de Broglie. Dans les matériaux massifs, les électrons se déplacent librement et leurs niveaux d'énergie forment des bandes continues. Lorsque la taille d'un matériau diminue à l'échelle nanométrique, typiquement quelques nanomètres, les énergies autorisées des électrons deviennent des niveaux discrets et quantifiés, tout comme les niveaux d'énergie d'un atome. Cela modifie fondamentalement les propriétés optiques et électroniques du matériau, telles que sa bande interdite et son spectre d'absorption.
Le concept a été développé au début des années 1980, avec des contributions clés de chercheurs comme Alexeï Ekimov et Louis Brus, qui ont observé indépendamment des propriétés optiques dépendant de la taille dans des nanocristaux semiconducteurs. Le cadre théorique s'appuie sur des travaux antérieurs de mécanique quantique datant des années 1930.
L'effet provient de la nature ondulatoire des électrons. Dans un espace confiné, la fonction d'onde de l'électron doit satisfaire des conditions aux limites, conduisant à des ondes stationnaires avec des longueurs d'onde spécifiques et donc des énergies spécifiques. Plus la région de confinement est petite, plus l'espacement en énergie entre ces niveaux autorisés est grand. Cela est analogue à une particule dans une boîte en mécanique quantique, où les niveaux d'énergie varient inversement avec le carré de la taille de la boîte. Le confinement peut être à une dimension (puits quantiques), à deux dimensions (fils quantiques) ou à trois dimensions (boîtes quantiques).
Le confinement quantique est exploité dans les boîtes quantiques utilisées dans les écrans (téléviseurs QLED), l'imagerie biologique et les cellules solaires, ainsi que dans les lasers à puits quantiques utilisés dans les communications optiques et les lecteurs de CD/DVD.
La couleur émise par une boîte quantique peut être ajustée simplement en changeant sa taille — les petites boîtes émettent de la lumière bleue, les plus grandes de la lumière rouge — sans modifier la composition chimique du matériau.
