I fisici dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU) e del Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) di Magonza hanno scoperto che un fenomeno osservato in alcuni sistemi molecolari, vale a dire il congelamento quantistico del movimento molecolare, è molto più diffuso di quanto si pensasse in precedenza . Per il loro studio, il team ha utilizzato metodi di diffusione dei raggi X ad alta risoluzione e simulazioni al computer. I risultati hanno importanti implicazioni per comprendere come funzionano i composti semiconduttori organici. Il gruppo di ricerca guidato dalla professoressa Silke Biermann, fisica della JGU, riporta i propri risultati sulla rivista scientifica Nature Physics.

I materiali organici, come quelli presenti nei componenti elettronici in plastica e nel fotovoltaico organico, possono essere utilizzati come semiconduttori proprio come il silicio e altri materiali inorganici. Le loro proprietà semiconduttrici sono dettate da come sono disposte le loro molecole e da come si muovono all'interno del materiale.

È noto che l'energia delle vibrazioni molecolari nei materiali organici è un fattore importante nel determinare le loro proprietà termiche ed elettroniche. Tuttavia, non è noto in che misura il carattere quantistico di queste vibrazioni molecolari influisca su queste proprietà.

I ricercatori di Magonza hanno dimostrato che gli effetti quantistici possono causare il "congelamento" delle vibrazioni molecolari a temperature sufficientemente basse. Questo fenomeno, noto come congelamento quantistico, è già stato osservato in precedenza, ma solo in alcuni sistemi molecolari specifici.

Il loro obiettivo era studiare il comportamento del congelamento quantistico in una gamma più ampia di materiali organici. "Solo allora si potranno fare previsioni significative sulla misura in cui i fenomeni quantistici influenzano le proprietà di questi materiali organici", ha spiegato Biermann.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno utilizzato metodi di diffusione dei raggi X ad alta risoluzione per determinare con precisione la struttura dei materiali organici. Le misurazioni sono state effettuate presso l'anello di accumulazione PETRA III presso il sincrotrone elettronico tedesco (DESY) ad Amburgo.

"Grazie all'elevata brillantezza e focalizzabilità dei raggi X, siamo stati in grado di determinare le strutture molecolari in grande dettaglio, anche a temperature estremamente basse", ha affermato Daniel Tsivion, Ph.D. studente del gruppo di Biermann.

Per analizzare i dati, i ricercatori hanno collaborato con Matthias Schmidt dell'MPI-P di Magonza. Hanno sviluppato sofisticate simulazioni al computer, in grado di riprodurre la struttura del materiale e simulare la dinamica delle molecole al suo interno.

L’uso combinato di esperimenti a raggi X ad alta risoluzione e simulazioni al computer ha rivelato che il congelamento quantistico è un fenomeno diffuso nei materiali organici, che si verifica in una varietà di classi diverse di composti. Questa scoperta è significativa perché significa che gli effetti quantistici devono essere presi in considerazione quando si progettano e si prevedono le proprietà dei materiali semiconduttori organici, materiali che sono parte integrante dei progressi nell’elettronica organica e nel fotovoltaico organico.

Il gruppo di ricerca sta ora pianificando di esplorare ulteriormente gli effetti quantistici nei materiali organici, con l’obiettivo di comprendere come questi fenomeni possano essere sfruttati per migliorare le prestazioni e l’efficienza dei dispositivi elettronici e optoelettronici organici.