Wetenschappers van de Aalto Universiteit en de Universiteit van Zürich zijn erin geslaagd om direct in beeld te brengen hoe elektronen interageren binnen een enkel molecuul.

Het begrijpen van dit soort elektronische effecten in organische moleculen is cruciaal voor hun gebruik in opto-elektronische toepassingen, bijvoorbeeld in organische lichtemitterende diodes (OLED's), organische veldeffecttransistoren (OFET's) en zonnecellen.

In hun artikel gepubliceerd in Natuurfysica , het onderzoeksteam demonstreert metingen aan het organische molecuul kobaltftalocyanine (CoPC) die alleen kunnen worden verklaard door rekening te houden met hoe elektronen in het molecuul met elkaar omgaan. CoPC is een veelgebruikt molecuul in organische opto-elektronische apparaten. Elektron-elektron interacties veranderen de geleidbaarheid, die direct verband houdt met de prestaties van het apparaat.

De Atomic Scale Physics-groep aan de Aalto University onder leiding van Peter Liljeroth is gespecialiseerd in scanning tunneling microscopie (STM), die een kleine stroom gebruikt tussen een scherpe sondepunt en een geleidend monster om structurele en elektronische eigenschappen van het monsteroppervlak te meten met atomaire resolutie. In dit geval, ze gebruikten de STM om de stroom te meten die door een enkel molecuul op een oppervlak gaat door elektronen met verschillende energieën te injecteren of te verwijderen.

Binnen het molecuul, elektronen 'leven' op zogenaamde orbitalen, die hun energie en de vorm van hun kwantummechanische golffunctie bepalen. Deze orbitalen kunnen worden gemeten door de stroom door het molecuul te registreren als functie van de aangelegde spanning.

Fabian Schulz, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Liljeroth, was verrast toen de metingen aan CoPC-moleculen niet pasten bij de conventionele interpretatie van STM-experimenten op afzonderlijke moleculen. "We zagen verschillende extra functies in de geregistreerde stroom waar er geen hadden moeten zijn volgens de gebruikelijke interpretatie van deze zogenaamde tunnelspectra", Schulz legt uit.

De experimenten werden uitgevoerd op kobaltftalocyanine (CoPC) moleculen afgezet op een één-atoom dikke laag hexagonaal boornitride op een iridium oppervlak.

Een collega van Aalto University en leider van de Quantum Many-Body Physics-groep, Ari Harju, suggereerde dat de sleutel tot het begrijpen van de experimentele resultaten een vorm van elektron-elektron-interactie zou kunnen zijn die gewoonlijk wordt verwaarloosd bij het interpreteren van dergelijke experimenten. In samenwerking met Ari P. Seitsonen van de Universiteit van Zürich, Ari Harju en zijn team berekenden de elektronische eigenschappen van het molecuul, inclusief kwantummechanische effecten die verder gingen dan de gangbare methoden. Deze nieuwe interpretatie werd bevestigd toen Liljeroth en zijn team de experimenteel gemeten moleculaire orbitalen konden matchen met de voorspellingen van de theorie. "Het was heel spannend om zo'n wisselwerking tussen theorie en experiment te zien", Liljeroth merkt op.

Ari Harju concludeert:"Het bewijs dat zulke theoretisch voorspelde, exotische effecten experimenteel kunnen worden waargenomen, is een belangrijke stap voorwaarts om te begrijpen hoe stroom wordt getransporteerd door individuele moleculen en moleculaire assemblages."