Gli scienziati dell'Università di Aalto e dell'Università di Zurigo sono riusciti a visualizzare direttamente come interagiscono gli elettroni all'interno di una singola molecola.

Comprendere questo tipo di effetti elettronici nelle molecole organiche è fondamentale per il loro utilizzo nelle applicazioni optoelettroniche, ad esempio nei diodi organici a emissione di luce (OLED), transistor organici ad effetto di campo (OFET) e celle solari.

Nel loro articolo pubblicato su Fisica della natura , il team di ricerca dimostra misurazioni sulla molecola organica cobalto ftalocianina (CoPC) che possono essere spiegate solo prendendo in considerazione il modo in cui gli elettroni nella molecola interagiscono tra loro. Il CoPC è una molecola comunemente usata nei dispositivi optoelettronici organici. Le interazioni elettrone-elettrone alterano la sua conduttività, che è direttamente correlato alle prestazioni del dispositivo.

Il gruppo di fisica su scala atomica dell'Università di Aalto guidato da Peter Liljeroth è specializzato nella microscopia a effetto tunnel (STM), che utilizza una piccola corrente tra una punta affilata della sonda e un campione conduttore per misurare le proprietà strutturali ed elettroniche della superficie del campione con risoluzione atomica. In questo caso, hanno usato l'STM per misurare la corrente che passa attraverso una singola molecola su una superficie iniettando o rimuovendo elettroni a diverse energie.

All'interno della molecola, gli elettroni "vivono" sui cosiddetti orbitali, che definiscono la loro energia e la forma della loro funzione d'onda quantomeccanica. Questi orbitali possono essere misurati registrando la corrente attraverso la molecola in funzione della tensione applicata.

Fabian Schulz, un ricercatore post-laurea nel gruppo di Liljeroth, è rimasto sorpreso quando le misurazioni sulle molecole CoPC non si adattavano all'interpretazione convenzionale degli esperimenti STM su singole molecole. "Abbiamo visto diverse caratteristiche aggiuntive nella corrente registrata dove non avrebbe dovuto essercene nessuna secondo la consueta interpretazione di questi cosiddetti spettri tunnel", Schulz spiega.

Gli esperimenti sono stati eseguiti su molecole di cobalto ftalocianina (CoPC) depositate su uno strato spesso di un atomo di nitruro di boro esagonale su una superficie di iridio.

Un collega della Aalto University e leader del gruppo Quantum Many-Body Physics, Ari Harju, ha suggerito che la chiave per comprendere i risultati sperimentali potrebbe essere una forma di interazione elettrone-elettrone che di solito viene trascurata nell'interpretazione di tali esperimenti. In collaborazione con Ari P. Seitsonen dell'Università di Zurigo, Ari Harju e il suo team hanno calcolato le proprietà elettroniche della molecola, compresi gli effetti della meccanica quantistica che andavano oltre i metodi prevalenti. Questa nuova interpretazione è stata confermata quando Liljeroth e il suo team sono stati in grado di abbinare gli orbitali molecolari misurati sperimentalmente con le previsioni della teoria. "È stato molto emozionante vedere questo tipo di interazione tra teoria ed esperimento", Osserva Liljeroth.

Ari Harju conclude:"La prova che tale predetto teoricamente, effetti esotici possono essere osservati sperimentalmente è un importante passo avanti nella comprensione di come la corrente viene trasportata attraverso le singole molecole e gli assemblaggi molecolari".