Des scientifiques de l'Université Aalto et de l'Université de Zurich ont réussi à visualiser directement comment les électrons interagissent au sein d'une même molécule.

Comprendre ce type d'effets électroniques dans les molécules organiques est crucial pour leur utilisation dans des applications optoélectroniques, par exemple dans les diodes électroluminescentes organiques (OLED), transistors organiques à effet de champ (OFET) et cellules solaires.

Dans leur article publié dans Physique de la nature , l'équipe de recherche démontre des mesures sur la molécule organique de phtalocyanine de cobalt (CoPC) qui ne peuvent être expliquées qu'en prenant en considération la façon dont les électrons de la molécule interagissent les uns avec les autres. Le CoPC est une molécule couramment utilisée dans les dispositifs optoélectroniques organiques. Les interactions électron-électron altèrent sa conductivité, qui est directement lié aux performances de l'appareil.

Le groupe de physique à l'échelle atomique de l'Université Aalto dirigé par Peter Liljeroth est spécialisé dans la microscopie à effet tunnel (STM), qui utilise un petit courant entre une pointe de sonde pointue et un échantillon conducteur pour mesurer les propriétés structurelles et électroniques de la surface de l'échantillon avec une résolution atomique. Dans ce cas, ils ont utilisé le STM pour mesurer le courant traversant une seule molécule sur une surface en injectant ou en retirant des électrons à différentes énergies.

Au sein de la molécule, les électrons « vivent » sur ce qu'on appelle des orbitales, qui définissent leur énergie et la forme de leur fonction d'onde en mécanique quantique. Ces orbitales peuvent être mesurées en enregistrant le courant à travers la molécule en fonction de la tension appliquée.

Fabien Schulz, chercheur de troisième cycle dans le groupe de Liljeroth, a été surpris lorsque les mesures sur les molécules de CoPC ne correspondaient pas à l'interprétation conventionnelle des expériences STM sur des molécules uniques. "Nous avons vu plusieurs caractéristiques supplémentaires dans le courant enregistré là où il n'aurait dû y en avoir aucune selon l'interprétation habituelle de ces spectres dits tunnel", Schulz explique.

Les expériences ont été réalisées sur des molécules de phtalocyanine de cobalt (CoPC) déposées sur une couche épaisse d'un atome de nitrure de bore hexagonal sur une surface d'iridium.

Un collègue de l'Université d'Aalto et chef du groupe de physique quantique à plusieurs corps, Ari Harju, ont suggéré que la clé pour comprendre les résultats expérimentaux pourrait être une forme d'interaction électron-électron qui est généralement négligée dans l'interprétation de telles expériences. En collaboration avec Ari P. Seitsonen de l'Université de Zurich, Ari Harju et son équipe ont calculé les propriétés électroniques de la molécule, y compris les effets de la mécanique quantique qui allaient au-delà des méthodes dominantes. Cette nouvelle interprétation a été confirmée lorsque Liljeroth et son équipe ont pu faire correspondre les orbitales moléculaires mesurées expérimentalement avec les prédictions de la théorie. "C'était très excitant de voir ce genre d'interaction entre théorie et expérimentation", remarque Liljeroth.

Ari Harju conclut :« La preuve que de telles prédictions théoriques, des effets exotiques peuvent être observés expérimentalement est un pas en avant important dans la compréhension de la façon dont le courant est transporté à travers des molécules individuelles et des assemblages moléculaires. »