Fysikere viser, at 'kvantefrysningsfænomenet' er universelt

Fysikere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) og Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) i Mainz har opdaget, at et fænomen observeret i visse molekylære systemer, nemlig kvantefrysning af molekylær bevægelse, er meget mere udbredt end tidligere antaget . Til deres undersøgelse brugte holdet højopløselige røntgenspredningsmetoder og computersimuleringer. Resultaterne har vigtige konsekvenser for forståelsen af, hvordan organiske halvlederforbindelser fungerer. Forskerholdet ledet af JGU-fysiker professor Silke Biermann rapporterer deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Nature Physics.

Organiske materialer, som dem der findes i plastikelektronik og organisk solcelle, kan bruges som halvledere ligesom silicium og andre uorganiske materialer. Deres halvledende egenskaber er dikteret af, hvordan deres molekyler er arrangeret, og hvordan de bevæger sig i materialet.

Det er velkendt, at energien fra de molekylære vibrationer i organiske materialer er en vigtig faktor til at bestemme deres termiske og elektroniske egenskaber. Det vides dog ikke, i hvor høj grad kvantekarakteren af ​​disse molekylære vibrationer påvirker disse egenskaber.

Forskerne i Mainz viste, at kvanteeffekter kan få de molekylære vibrationer til at blive "frosne" ved tilstrækkelig lave temperaturer. Dette fænomen, kendt som kvantefrysning, er blevet observeret før, men kun i nogle få specifikke molekylære systemer.

Deres mål var at undersøge kvantefrysningsadfærden i en bredere vifte af organiske materialer. "Det er først da, at der kan laves meningsfulde forudsigelser om, i hvilket omfang kvantefænomener påvirker egenskaberne af disse organiske materialer," forklarede Biermann.

For at nå dette mål brugte forskerne højopløselige røntgenspredningsmetoder til nøjagtigt at bestemme strukturen af ​​de organiske materialer. Målingerne blev udført ved PETRA III lagerringen ved den tyske elektronsynkrotron (DESY) i Hamborg.

"Takket være den høje glans og fokuserbarhed af røntgenstrålerne, var vi i stand til at bestemme de molekylære strukturer i stor detalje, selv ved ekstremt lave temperaturer," sagde Daniel Tsivion, Ph.D. elev i Biermanns gruppe.

For at analysere dataene samarbejdede forskerne med Matthias Schmidt ved MPI-P i Mainz. De udviklede sofistikerede computersimuleringer, der var i stand til at reproducere materialets struktur og simulere dynamikken i molekylerne indeni.

Den kombinerede brug af højopløselige røntgeneksperimenter og computersimuleringer afslørede, at kvantefrysning er et udbredt fænomen i organiske materialer, der forekommer i en række forskellige klasser af forbindelser. Dette fund er vigtigt, fordi det betyder, at kvanteeffekter skal tages i betragtning, når man designer og forudsiger egenskaberne af organiske halvledermaterialer - materialer, der er en integreret del af fremskridt inden for organisk elektronik og organisk fotovoltaik.

Forskerholdet planlægger nu at udforske kvanteeffekter i organiske materialer yderligere med det formål at forstå, hvordan disse fænomener kan udnyttes til at forbedre ydeevnen og effektiviteten af ​​organiske elektroniske og optoelektroniske enheder.