Des physiciens de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères (MPI-P) de Mayence ont découvert qu'un phénomène observé dans certains systèmes moléculaires, à savoir le gel quantique du mouvement moléculaire, est beaucoup plus répandu qu'on ne le pensait auparavant. . Pour leur étude, l’équipe a utilisé des méthodes de diffusion des rayons X à haute résolution et des simulations informatiques. Les résultats ont des implications importantes pour comprendre le fonctionnement des composés semi-conducteurs organiques. L'équipe de recherche dirigée par le professeur Silke Biermann, physicienne au JGU, publie ses résultats dans la revue scientifique Nature Physics.

Les matériaux organiques, tels que ceux que l’on trouve dans l’électronique plastique et le photovoltaïque organique, peuvent être utilisés comme semi-conducteurs, tout comme le silicium et d’autres matériaux inorganiques. Leurs propriétés semi-conductrices sont dictées par la manière dont leurs molécules sont disposées et dont elles se déplacent dans le matériau.

Il est bien connu que l’énergie des vibrations moléculaires des matériaux organiques est un facteur important pour déterminer leurs propriétés thermiques et électroniques. Cependant, on ne sait pas dans quelle mesure le caractère quantique de ces vibrations moléculaires affecte ces propriétés.

Les chercheurs de Mayence ont montré que les effets quantiques peuvent provoquer le « gel » des vibrations moléculaires à des températures suffisamment basses. Ce phénomène, connu sous le nom de gel quantique, a déjà été observé, mais seulement dans quelques systèmes moléculaires spécifiques.

Leur objectif était d’étudier le comportement de congélation quantique dans une gamme plus large de matériaux organiques. "C'est seulement alors que des prédictions significatives pourront être faites sur la mesure dans laquelle les phénomènes quantiques influencent les propriétés de ces matériaux organiques", a expliqué Biermann.

Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont utilisé des méthodes de diffusion des rayons X à haute résolution pour déterminer avec précision la structure des matériaux organiques. Les mesures ont été effectuées sur l'anneau de stockage PETRA III du synchrotron électronique allemand (DESY) à Hambourg.

"Grâce à la grande brillance et à la focalisation des rayons X, nous avons pu déterminer les structures moléculaires de manière très détaillée, même à des températures extrêmement basses", a déclaré Daniel Tsivion, Ph.D. étudiant dans le groupe de Biermann.

Pour analyser les données, les chercheurs ont collaboré avec Matthias Schmidt du MPI-P de Mayence. Ils ont développé des simulations informatiques sophistiquées, capables de reproduire la structure du matériau et de simuler la dynamique des molécules qu'il contient.

L’utilisation combinée d’expériences aux rayons X à haute résolution et de simulations informatiques a révélé que la congélation quantique est un phénomène répandu dans les matériaux organiques, se produisant dans diverses classes de composés. Cette découverte est importante car elle signifie que les effets quantiques doivent être pris en compte lors de la conception et de la prévision des propriétés des matériaux semi-conducteurs organiques, des matériaux qui font partie intégrante des progrès de l'électronique organique et du photovoltaïque organique.

L’équipe de recherche envisage désormais d’explorer davantage les effets quantiques dans les matériaux organiques, dans le but de comprendre comment ces phénomènes peuvent être exploités pour améliorer les performances et l’efficacité des dispositifs électroniques et optoélectroniques organiques.