När ljus faller på ett material, som ett grönt blad eller näthinnan, vissa molekyler transporterar energi och laddning. Detta leder i slutändan till separering av avgifter och generering av el. Molekylära trattar, så kallade koniska skärningar, säkerställa att denna transport är mycket effektiv och riktad.

Ett internationellt team av fysiker har nu observerat att sådana koniska skärningar också säkerställer en riktad energitransport mellan närliggande molekyler av ett nanomaterial. Teoretiska simuleringar har bekräftat de experimentella resultaten. Tills nu, forskare hade observerat detta fenomen endast inom en molekyl. I längden, resultaten kan hjälpa till att utveckla effektivare nanomaterial för organiska solceller, till exempel. Studien, ledd av Antonietta De Sio, Universitetet i Oldenburg, och Thomas Frauenheim, universitetet i Bremen, Tyskland, publicerades i det aktuella numret av den vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik .

Fotokemiska processer spelar en stor roll i naturen och i tekniken:När molekyler absorberar ljus, deras elektroner går över till ett exciterat tillstånd. Denna övergång utlöser extremt snabba molekylära växlingsprocesser. I det mänskliga ögat, till exempel, molekylen rhodopsin roterar på ett visst sätt efter att ha absorberat ljus och utlöser därmed i slutändan en elektrisk signal – det mest elementära steget i den visuella processen.

Första experimentella bevis för koniska skärningar mellan molekyler

Anledningen till detta är en speciell egenskap hos rhodopsinmolekyler, förklarar Christoph Lienau, professor i ultrasnabb nanooptik vid universitetet i Oldenburg och medförfattare till studien:"Rotationsprocessen sker alltid på ett liknande sätt, även om det ur en kvantmekanisk synvinkel finns många olika möjligheter för molekylär rörelse."

Detta beror på det faktum att molekylen måste kanal genom en konisk skärning under rotationsprocessen, som en studie från 2010 demonstrerade experimentellt i visuellt pigment:"Denna kvantmekaniska mekanism fungerar som en enkelriktad gata i molekylen:Den kanaliserar energin i en viss riktning med mycket hög sannolikhet, " förklarar Lienau.

Forskargruppen ledd av Antonietta De Sio, senior forskare i forskargruppen Ultrafast Nano-optics vid universitetet i Oldenburg, och Thomas Frauenheim, professor i beräkningsmaterialvetenskap vid universitetet i Bremen, har nu observerat en sådan enkelriktad gata för elektroner i ett nanomaterial. Materialet har syntetiserats av kollegor från universitetet i Ulm, Tyskland, och används redan i effektiva organiska solcellsenheter.

"Det som gör våra resultat speciella är att vi experimentellt har demonstrerat koniska skärningar mellan närliggande molekyler för första gången, " förklarar De Sio. Tills nu, fysiker över hela världen hade bara observerat det kvantmekaniska fenomenet inom en enda molekyl och bara spekulerat i att det också kan finnas koniska skärningar mellan molekyler som ligger bredvid varandra.

Teoretiska beräkningar stödjer experimentella data

De Sios team har upptäckt denna enkelriktade gata för elektroner genom att använda metoder för ultrasnabb laserspektroskopi:Forskarna bestrålar materialet med laserpulser på bara några femtosekunder. En femtosekund är en miljondels miljarddels sekund. Metoden gör det möjligt för forskarna att spela in en slags film av de processer som sker direkt efter att ljuset når materialet. Gruppen kunde observera hur elektroner och atomkärnor rörde sig genom den koniska skärningspunkten.

Forskarna fann att en särskilt stark koppling mellan elektronerna och specifika kärnvibrationer hjälper till att överföra energi från en molekyl till en annan som på en enkelriktad gata. Det är precis vad som händer i de koniska korsningarna. "I materialet vi studerade, det tog bara cirka 40 femtosekunder mellan den allra första optiska exciteringen och passagen genom den koniska skärningen, säger De Sio.

För att bekräfta deras experimentella observationer, forskarna från Oldenburg och Bremen samarbetade också med teoretiska fysiker från Los Alamos National Laboratory, New Mexico, U.S., och CNR-Nano, Modena, Italien. "Med sina beräkningar, de har tydligt visat att vi har tolkat våra experimentella data korrekt, " förklarar De Sio.

Oldenburg-forskarna kan ännu inte i detalj uppskatta den exakta effekten av dessa kvantmekaniska enkelriktade gator på framtida tillämpningar av molekylära nanostrukturer. Dock, på lång sikt kan de nya rönen hjälpa till att designa nya nanomaterial för organiska solceller eller optoelektroniska enheter med förbättrad effektivitet, eller att utveckla konstgjorda ögon från nanostrukturer.