Lorsque la lumière tombe sur un matériau, comme une feuille verte ou la rétine, certaines molécules transportent de l'énergie et de la charge. Cela conduit finalement à la séparation des charges et à la production d'électricité. Entonnoirs moléculaires, intersections dites coniques, s'assurer que ce transport est hautement efficace et dirigé.

Une équipe internationale de physiciens a maintenant observé que de telles intersections coniques assurent également un transport d'énergie dirigé entre les molécules voisines d'un nanomatériau. Des simulations théoriques ont confirmé les résultats expérimentaux. Jusqu'à maintenant, les scientifiques n'avaient observé ce phénomène qu'à l'intérieur d'une molécule. À long terme, les résultats pourraient aider à développer des nanomatériaux plus efficaces pour les cellules solaires organiques, par exemple. L'étude, dirigé par Antonietta De Sio, Université d'Oldenbourg, et Thomas Frauenheim, Université de Brême, Allemagne, a été publié dans le numéro actuel de la revue scientifique Nature Nanotechnologie .

Les processus photochimiques jouent un rôle majeur dans la nature et dans la technologie :lorsque les molécules absorbent la lumière, leurs électrons passent à un état excité. Cette transition déclenche des processus de commutation moléculaire extrêmement rapides. Dans l'œil humain, par exemple, la molécule rhodopsine tourne d'une certaine manière après avoir absorbé la lumière et déclenche ainsi finalement un signal électrique, l'étape la plus élémentaire du processus visuel.

Première preuve expérimentale d'intersections coniques entre molécules

La raison en est une propriété particulière des molécules de rhodopsine, explique Christoph Lienau, professeur de nano-optique ultrarapide à l'Université d'Oldenburg et co-auteur de l'étude :"Le processus de rotation se déroule toujours de la même manière, bien que du point de vue de la mécanique quantique, il existe de nombreuses possibilités différentes pour le mouvement moléculaire."

Cela est dû au fait que la molécule doit passer par une intersection conique pendant le processus de rotation, comme une étude de 2010 l'a démontré expérimentalement dans le pigment visuel :« Ce mécanisme de mécanique quantique fonctionne comme une rue à sens unique dans la molécule :il canalise l'énergie dans une certaine direction avec une probabilité très élevée, " explique Lienau.

L'équipe de recherche dirigée par Antonietta De Sio, scientifique senior dans le groupe de recherche Ultrafast Nano-optics à l'Université d'Oldenburg, et Thomas Frauenheim, professeur de science computationnelle des matériaux à l'Université de Brême, a maintenant observé une telle rue à sens unique pour les électrons dans un nanomatériau. Le matériel a été synthétisé par des collègues de l'Université d'Ulm, Allemagne, et est déjà utilisé dans des dispositifs de cellules solaires organiques efficaces.

"Ce qui rend nos résultats spéciaux, c'est que nous avons démontré expérimentalement des intersections coniques entre des molécules voisines pour la première fois, " explique De Sio. Jusqu'à présent, les physiciens du monde entier n'avaient observé le phénomène de mécanique quantique qu'à l'intérieur d'une seule molécule et n'avaient supposé qu'il pourrait également y avoir des intersections coniques entre des molécules situées les unes à côté des autres.

Les calculs théoriques supportent les données expérimentales

L'équipe de De Sio a découvert cette rue à sens unique pour les électrons en utilisant des méthodes de spectroscopie laser ultrarapide :les scientifiques irradient le matériau avec des impulsions laser d'une durée de quelques femtosecondes seulement. Une femtoseconde est un millionième de milliardième de seconde. La méthode permet aux chercheurs d'enregistrer une sorte de film des processus qui se déroulent immédiatement après que la lumière a atteint le matériau. Le groupe a pu observer comment les électrons et les noyaux atomiques se déplaçaient à travers l'intersection conique.

Les chercheurs ont découvert qu'un couplage particulièrement fort entre les électrons et des vibrations nucléaires spécifiques permet de transférer l'énergie d'une molécule à une autre comme dans une rue à sens unique. C'est exactement ce qui se passe dans les intersections coniques. « Dans le matériau que nous avons étudié, il n'a fallu qu'environ 40 femtosecondes entre la toute première excitation optique et le passage par l'intersection conique, " dit De Sio.

Afin de confirmer leurs observations expérimentales, les chercheurs d'Oldenburg et de Brême ont également collaboré avec des physiciens théoriciens du Laboratoire national de Los Alamos, Nouveau Mexique, NOUS., et CNR-Nano, Modène, Italie. "Avec leurs calculs, ils ont clairement montré que nous avons interprété correctement nos données expérimentales, " explique De Sio.

Les chercheurs d'Oldenburg ne sont pas encore en mesure d'estimer en détail l'effet exact de ces voies à sens unique de la mécanique quantique sur les futures applications des nanostructures moléculaires. Cependant, à long terme, les nouvelles découvertes pourraient aider à concevoir de nouveaux nanomatériaux pour les cellules solaires organiques ou les dispositifs optoélectroniques avec une efficacité améliorée, ou pour développer des yeux artificiels à partir de nanostructures.