Los materiales orgánicos, como los que se encuentran en la electrónica plástica y la energía fotovoltaica orgánica, se pueden utilizar como semiconductores al igual que el silicio y otros materiales inorgánicos. Sus propiedades semiconductoras están dictadas por cómo están dispuestas sus moléculas y cómo se mueven dentro del material.
Es bien sabido que la energía de las vibraciones moleculares en materiales orgánicos es un factor importante para determinar sus propiedades térmicas y electrónicas. Sin embargo, no se sabe hasta qué punto el carácter cuántico de estas vibraciones moleculares afecta a estas propiedades.
Los investigadores de Maguncia demostraron que los efectos cuánticos pueden provocar que las vibraciones moleculares se "congelan" a temperaturas suficientemente bajas. Este fenómeno, conocido como congelación cuántica, se ha observado antes, pero sólo en unos pocos sistemas moleculares específicos.
Su objetivo era investigar el comportamiento de congelación cuántica en una gama más amplia de materiales orgánicos. "Sólo entonces podrán hacerse predicciones significativas sobre en qué medida los fenómenos cuánticos influyen en las propiedades de estos materiales orgánicos", explicó Biermann.
Para lograr este objetivo, los investigadores utilizaron métodos de dispersión de rayos X de alta resolución para determinar con precisión la estructura de los materiales orgánicos. Las mediciones se realizaron en el anillo de almacenamiento PETRA III del sincrotrón electrónico alemán (DESY) en Hamburgo.
"Gracias al alto brillo y la capacidad de enfoque de los rayos X, pudimos determinar las estructuras moleculares con gran detalle, incluso a temperaturas extremadamente bajas", afirmó Daniel Tsivion, Ph.D. Estudiante del grupo de Biermann.
Para analizar los datos, los investigadores colaboraron con Matthias Schmidt del MPI-P de Maguncia. Desarrollaron sofisticadas simulaciones por ordenador, capaces de reproducir la estructura del material y simular la dinámica de las moléculas que contiene.
El uso combinado de experimentos de rayos X de alta resolución y simulaciones por computadora reveló que la congelación cuántica es un fenómeno generalizado en materiales orgánicos y se presenta en una variedad de clases diferentes de compuestos. Este hallazgo es significativo porque significa que se deben tener en cuenta los efectos cuánticos al diseñar y predecir las propiedades de los materiales semiconductores orgánicos, materiales que son parte integral de los avances en la electrónica orgánica y la energía fotovoltaica orgánica.
El equipo de investigación ahora planea explorar más a fondo los efectos cuánticos en materiales orgánicos, con el objetivo de comprender cómo se pueden explotar estos fenómenos para mejorar el rendimiento y la eficiencia de los dispositivos optoelectrónicos y electrónicos orgánicos.
