Físicos da Universidade Johannes Gutenberg Mainz (JGU) e do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros (MPI-P) em Mainz descobriram que um fenômeno observado em certos sistemas moleculares, nomeadamente o congelamento quântico do movimento molecular, é muito mais difundido do que se pensava anteriormente. . Para o estudo, a equipe usou métodos de espalhamento de raios X de alta resolução e simulações de computador. As descobertas têm implicações importantes para a compreensão de como funcionam os compostos semicondutores orgânicos. A equipe de pesquisa liderada pelo físico da JGU, Professor Silke Biermann, está relatando suas descobertas na revista científica Nature Physics.

Materiais orgânicos, como aqueles encontrados na eletrônica plástica e na energia fotovoltaica orgânica, podem ser usados ​​como semicondutores, assim como o silício e outros materiais inorgânicos. Suas propriedades semicondutoras são ditadas pela forma como suas moléculas estão organizadas e como se movem dentro do material.

É bem sabido que a energia das vibrações moleculares em materiais orgânicos é um fator importante na determinação de suas propriedades térmicas e eletrônicas. No entanto, não se sabe até que ponto o caráter quântico destas vibrações moleculares afeta estas propriedades.

Os pesquisadores em Mainz mostraram que os efeitos quânticos podem fazer com que as vibrações moleculares fiquem “congeladas” em temperaturas suficientemente baixas. Este fenômeno, conhecido como congelamento quântico, já foi observado antes, mas apenas em alguns sistemas moleculares específicos.

Seu objetivo era investigar o comportamento do congelamento quântico em uma gama mais ampla de materiais orgânicos. “Só então é que podem ser feitas previsões significativas sobre até que ponto os fenómenos quânticos influenciam as propriedades destes materiais orgânicos”, explicou Biermann.

Para atingir esse objetivo, os pesquisadores utilizaram métodos de espalhamento de raios X de alta resolução para determinar com precisão a estrutura dos materiais orgânicos. As medições foram realizadas no anel de armazenamento PETRA III no German Electron Synchrotron (DESY) em Hamburgo.

“Graças ao alto brilho e capacidade de foco dos raios X, fomos capazes de determinar as estruturas moleculares com grande detalhe, mesmo em temperaturas extremamente baixas”, disse Daniel Tsivion, Ph.D. aluno do grupo de Biermann.

Para analisar os dados, os pesquisadores colaboraram com Matthias Schmidt do MPI-P em Mainz. Eles desenvolveram simulações computacionais sofisticadas, capazes de reproduzir a estrutura do material e simular a dinâmica das moléculas dentro dele.

O uso combinado de experimentos de raios X de alta resolução e simulações de computador revelou que o congelamento quântico é um fenômeno generalizado em materiais orgânicos, ocorrendo em uma variedade de diferentes classes de compostos. Esta descoberta é significativa porque significa que os efeitos quânticos devem ser levados em consideração ao projetar e prever as propriedades de materiais semicondutores orgânicos – materiais que são essenciais para os avanços na eletrônica orgânica e na energia fotovoltaica orgânica.

A equipa de investigação planeia agora explorar ainda mais os efeitos quânticos em materiais orgânicos, com o objectivo de compreender como estes fenómenos podem ser explorados para melhorar o desempenho e a eficiência de dispositivos orgânicos electrónicos e optoelectrónicos.