Οι φυσικοί δείχνουν ότι το «κβαντικό φαινόμενο κατάψυξης» είναι καθολικό

Οι φυσικοί του Πανεπιστημίου Johannes Gutenberg Mainz (JGU) και το Ινστιτούτο Max Planck για την Έρευνα Πολυμερών (MPI-P) στο Mainz ανακάλυψαν ότι ένα φαινόμενο που παρατηρείται σε ορισμένα μοριακά συστήματα, δηλαδή η κβαντική κατάψυξη της μοριακής κίνησης, είναι πολύ πιο διαδεδομένη από ό, τι προηγουμένως. Για τη μελέτη τους, η ομάδα χρησιμοποίησε μεθόδους σκέδασης ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης και προσομοιώσεις υπολογιστών. Τα ευρήματα έχουν σημαντικές επιπτώσεις για την κατανόηση του τρόπου λειτουργίας των οργανικών ενώσεων ημιαγωγών. Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον φυσικό καθηγητή Silke Biermann αναφέρει τα ευρήματά του στο επιστημονικό περιοδικό Nature Physics.

Τα οργανικά υλικά, όπως αυτά που βρίσκονται σε πλαστικά ηλεκτρονικά και οργανικά φωτοβολταϊκά, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ημιαγωγοί ακριβώς όπως το πυρίτιο και άλλα ανόργανα υλικά. Οι ημιαγωγικές τους ιδιότητες υπαγορεύονται από τον τρόπο με τον οποίο τα μόρια τους είναι διατεταγμένα και πώς κινούνται μέσα στο υλικό.

Είναι γνωστό ότι η ενέργεια των μοριακών δονήσεων σε οργανικά υλικά είναι ένας σημαντικός παράγοντας για τον προσδιορισμό των θερμικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων τους. Ωστόσο, δεν είναι γνωστό σε ποιο βαθμό ο κβαντικός χαρακτήρας αυτών των μοριακών δονήσεων επηρεάζει αυτές τις ιδιότητες.

Οι ερευνητές στο Mainz έδειξαν ότι οι κβαντικές επιδράσεις μπορούν να προκαλέσουν την «παγωμένη» των μοριακών δονήσεων σε επαρκώς χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό το φαινόμενο, γνωστό ως κβαντική κατάψυξη, έχει παρατηρηθεί προηγουμένως, αλλά μόνο σε μερικά συγκεκριμένα μοριακά συστήματα.

Στόχος τους ήταν να διερευνήσουν την κβαντική συμπεριφορά κατάψυξης σε ένα ευρύτερο φάσμα οργανικών υλικών. "Μόνο τότε μπορούν να γίνουν σημαντικές προβλέψεις σχετικά με το βαθμό στον οποίο τα κβαντικά φαινόμενα επηρεάζουν τις ιδιότητες αυτών των οργανικών υλικών", εξήγησε ο Biermann.

Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μεθόδους σκέδασης ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης για να καθορίσουν με ακρίβεια τη δομή των οργανικών υλικών. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο δακτύλιο αποθήκευσης Petra III στο γερμανικό ηλεκτρονικό synchrotron (DESY) στο Αμβούργο.

"Χάρη στην υψηλή λαμπρότητα και την αξιοπιστία των ακτίνων Χ, μπορέσαμε να προσδιορίσουμε με μεγάλη λεπτομέρεια τις μοριακές δομές, ακόμη και σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες", δήλωσε ο Daniel Tsivion, Ph.D. Φοιτητής στην ομάδα Biermann.

Για να αναλύσει τα δεδομένα, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με τον Matthias Schmidt στο MPI-P στο Mainz. Αναπτύσσουν εξελιγμένες προσομοιώσεις υπολογιστών, ικανές να αναπαράγουν τη δομή του υλικού και να προσομοιώσουν τη δυναμική των μορίων μέσα.

Η συνδυασμένη χρήση πειράματα ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης και προσομοιώσεις υπολογιστών αποκάλυψε ότι η κβαντική κατάψυξη είναι ένα ευρέως διαδεδομένο φαινόμενο σε οργανικά υλικά, που εμφανίζεται σε μια ποικιλία διαφορετικών κατηγοριών ενώσεων. Αυτό το εύρημα είναι σημαντικό, διότι σημαίνει ότι πρέπει να ληφθούν υπόψη τα κβαντικά αποτελέσματα κατά το σχεδιασμό και την πρόβλεψη των ιδιοτήτων των οργανικών υλικών ημιαγωγών - που είναι αναπόσπαστα από την πρόοδο των οργανικών ηλεκτρονικών και των οργανικών φωτοβολταϊκών.

Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει τώρα να διερευνήσει περαιτέρω τα κβαντικά αποτελέσματα στα οργανικά υλικά, με στόχο την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα φαινόμενα αυτά μπορούν να αξιοποιηθούν για να βελτιωθεί η απόδοση και η αποτελεσματικότητα των οργανικών ηλεκτρονικών και οπτοηλεκτρονικών συσκευών.