Forskare vid Aalto-universitetet och universitetet i Zürich har lyckats direkt avbilda hur elektroner interagerar inom en enda molekyl.

Att förstå denna typ av elektroniska effekter i organiska molekyler är avgörande för deras användning i optoelektroniska applikationer, till exempel i organiska lysdioder (OLED), organiska fälteffekttransistorer (OFET) och solceller.

I deras artikel publicerad i Naturfysik , forskargruppen visar mätningar på den organiska molekylen koboltftalocyanin (CoPC) som endast kan förklaras genom att ta hänsyn till hur elektronerna i molekylen interagerar med varandra. CoPC är en vanligen använd molekyl i organiska optoelektroniska enheter. Elektron-elektroninteraktioner förändrar dess konduktivitet, som är direkt relaterad till enhetens prestanda.

Atomic Scale Physics-gruppen vid Aalto-universitetet under ledning av Peter Liljeroth är specialiserad på scanning tunneling microscopy (STM), som använder en liten ström mellan en vass sondspets och ett ledande prov för att mäta strukturella och elektroniska egenskaper hos provytan med atomupplösning. I detta fall, de använde STM för att mäta strömmen som passerar genom en enda molekyl på en yta genom att injicera eller ta bort elektroner med olika energier.

Inom molekylen, elektroner "lever" på så kallade orbitaler, som definierar deras energi och formen på deras kvantmekaniska vågfunktion. Dessa orbitaler kan mätas genom att registrera strömmen genom molekylen som en funktion av den applicerade spänningen.

Fabian Schulz, forskare i Liljeroths grupp, blev förvånad när mätningarna på CoPC-molekyler inte passade den konventionella tolkningen av STM-experiment på enstaka molekyler. "Vi såg flera ytterligare funktioner i den registrerade strömmen där det inte borde ha funnits några enligt den vanliga tolkningen av dessa så kallade tunnelspektra", Schulz förklarar.

Experimenten utfördes på koboltftalocyanin (CoPC)-molekyler avsatta på ett enatomstjockt lager av hexagonal bornitrid på en iridiumyta.

En kollega från Aalto-universitetet och ledare för gruppen Quantum Many-Body Physics, Ari Harju, föreslog att nyckeln till att förstå de experimentella resultaten kan vara en form av elektron-elektroninteraktion som vanligtvis försummas vid tolkning av sådana experiment. I samarbete med Ari P. Seitsonen från universitetet i Zürich, Ari Harju och hans team beräknade molekylens elektroniska egenskaper, inklusive kvantmekaniska effekter som gick utöver rådande metoder. Denna nya tolkning bekräftades när Liljeroth och hans team kunde matcha de experimentellt uppmätta molekylära orbitalerna med teorins förutsägelser. "Det var väldigt spännande att se ett sådant samspel mellan teori och experiment", Liljeroth anmärker.

Ari Harju avslutar:"Beviset som sådana teoretiskt förutspådde, exotiska effekter kan observeras experimentellt är ett viktigt steg framåt för att förstå hur ström transporteras över enskilda molekyler och molekylära sammansättningar."