Quando la luce cade su un materiale, come una foglia verde o la retina, alcune molecole trasportano energia e carica. Questo alla fine porta alla separazione delle cariche e alla generazione di elettricità. Imbuti molecolari, le cosiddette intersezioni coniche, garantire che questo trasporto sia altamente efficiente e diretto.

Un team internazionale di fisici ha ora osservato che tali intersezioni coniche assicurano anche un trasporto diretto di energia tra le molecole vicine di un nanomateriale. Le simulazioni teoriche hanno confermato i risultati sperimentali. Fino ad ora, gli scienziati avevano osservato questo fenomeno solo all'interno di una molecola. A lungo termine, i risultati potrebbero aiutare a sviluppare nanomateriali più efficienti per le celle solari organiche, Per esempio. Lo studio, guidata da Antonietta De Sio, Università di Oldenburg, e Thomas Frauenheim, Università di Brema, Germania, è stato pubblicato nel numero attuale della rivista scientifica Nanotecnologia della natura .

I processi fotochimici svolgono un ruolo importante in natura e nella tecnologia:quando le molecole assorbono la luce, i loro elettroni transitano in uno stato eccitato. Questa transizione innesca processi di commutazione molecolare estremamente rapidi. Nell'occhio umano, Per esempio, la molecola rodopsina ruota in un certo modo dopo aver assorbito la luce e quindi alla fine innesca un segnale elettrico, il passaggio più elementare del processo visivo.

Prima evidenza sperimentale per intersezioni coniche tra molecole

La ragione di ciò è una proprietà speciale delle molecole di rodopsina, spiega Christoph Lienau, professore di nano-ottica ultraveloce all'Università di Oldenburg e coautore dello studio:"Il processo di rotazione avviene sempre in modo simile, sebbene da un punto di vista della meccanica quantistica ci siano molte possibilità differenti per il movimento molecolare."

Ciò è dovuto al fatto che la molecola deve incanalare attraverso un'intersezione conica durante il processo di rotazione, come uno studio del 2010 ha dimostrato sperimentalmente nel pigmento visivo:"Questo meccanismo quantomeccanico funziona come una strada a senso unico nella molecola:incanala l'energia in una certa direzione con una probabilità molto alta, " spiega Lienau.

Il gruppo di ricerca guidato da Antonietta De Sio, scienziato senior nel gruppo di ricerca Ultrafast Nano-optics presso l'Università di Oldenburg, e Thomas Frauenheim, professore di Scienza computazionale dei materiali presso l'Università di Brema, ha ora osservato una strada a senso unico per gli elettroni in un nanomateriale. Il materiale è stato sintetizzato da colleghi dell'Università di Ulm, Germania, ed è già utilizzato in efficienti dispositivi a celle solari organiche.

"Ciò che rende speciali i nostri risultati è che abbiamo dimostrato sperimentalmente intersezioni coniche tra molecole vicine per la prima volta, " spiega De Sio. Finora, i fisici di tutto il mondo avevano osservato solo il fenomeno della meccanica quantistica all'interno di una singola molecola e avevano solo ipotizzato che potessero esserci anche intersezioni coniche tra molecole che giacevano una accanto all'altra.

I calcoli teorici supportano i dati sperimentali

Il team di De Sio ha scoperto questa strada a senso unico per gli elettroni utilizzando metodi di spettroscopia laser ultraveloce:gli scienziati irradiano il materiale con impulsi laser della durata di pochi femtosecondi. Un femtosecondo è un milionesimo di miliardesimo di secondo. Il metodo consente ai ricercatori di registrare una sorta di filmato dei processi che avvengono immediatamente dopo che la luce raggiunge il materiale. Il gruppo è stato in grado di osservare come gli elettroni ei nuclei atomici si muovevano attraverso l'intersezione conica.

I ricercatori hanno scoperto che un accoppiamento particolarmente forte tra gli elettroni e specifiche vibrazioni nucleari aiuta a trasferire energia da una molecola all'altra come in una strada a senso unico. Questo è esattamente ciò che accade nelle intersezioni coniche. "Nel materiale che abbiamo studiato, ci sono voluti solo circa 40 femtosecondi tra la primissima eccitazione ottica e il passaggio attraverso l'intersezione conica, "dice De Sio.

Per confermare le loro osservazioni sperimentali, i ricercatori di Oldenburg e Brema hanno anche collaborato con fisici teorici del Los Alamos National Laboratory, Nuovo Messico, NOI., e CNR-Nano, modenese, Italia. "Con i loro calcoli, hanno chiaramente dimostrato che abbiamo interpretato correttamente i nostri dati sperimentali, " spiega De Sio.

I ricercatori di Oldenburg non sono ancora in grado di stimare in dettaglio l'esatto effetto di queste strade a senso unico di meccanica quantistica sulle future applicazioni delle nanostrutture molecolari. Però, a lungo termine le nuove scoperte potrebbero aiutare a progettare nuovi nanomateriali per celle solari organiche o dispositivi optoelettronici con maggiore efficienza, o per sviluppare occhi artificiali da nanostrutture.