Elektronien hallintaa molekyyleissä

Yokohama National Universityn tutkijat ovat yhteistyössä RIKENin ja muiden Japanin ja Korean instituutioiden kanssa tehneet tärkeän löydön siitä, kuinka elektronit liikkuvat ja käyttäytyvät molekyyleissä.

Tutkimusjulkaistu tuo esiin uuden tavan hallita elektronien jakautumista molekyyleissä käyttämällä erittäin nopeita vaiheohjattuja terahertsialueen valopulsseja.

Se miten elektronit ovat järjestyneet molekyyliin, on avain molekyylin käyttäytymiseen. Esimerkiksi eksitonit ovat avain aurinkokennoissa, joissa eksitonit auttavat muuttamaan auringonvaloa sähköksi, ja ledeissä, joissa ne vapauttavat energiaa valona.

On kuitenkin muita tärkeitä tiloja, joissa molekyylejä voi esiintyä, kuten varautuneet tilat ja varautuneet viritystilat. Varautuneita tiloja esiintyy, kun molekyyli saa tai menettää elektronin, kun taas varautuneisiin viritystiloihin liittyy sekä varauksen muutos että elektroni korkeammalla energiatasolla.

Nämä ovat tärkeitä monille prosesseille, mutta näitä tiloja on ollut erittäin vaikea hallita perinteisellä teknologialla. Normaalisti näkyvästä spektristä tuleva valo ei anna tarpeeksi energiaa muuttamaan molekyylin varausta, joten se ei voi muuttaa siinä olevien elektronien määrää.

Tämän haasteen voittamiseksi tutkijat käyttivät terahertsivalopulsseja. Nämä pulssit saavat elektronit liikkumaan molekyylin ja erikoismikroskoopin metallikärjen välillä, joka pystyy käsittelemään yksittäisiä molekyylejä, jolloin ryhmä voi joko poistaa tai lisätä elektronin molekyyliin.

Tämä uusi menetelmä tarjoaa tavan ohjata paitsi eksitoneja hallitusti, joka on sekä nopea että tarkka, myös muita tärkeitä molekyylitiloja, jotka ovat välttämättömiä kemiallisille reaktioille, energiansiirrolle ja monille muille prosesseille.

Ryhmä osoitti myös, että terahertsivalo, joka on näkymätön ihmissilmälle, voidaan muuntaa näkyväksi valoksi molekyylin sisällä, mikä paljastaa uuden tavan muuttaa yhden tyyppinen valo toiseksi molekyylien energiamuunnoksilla.

"Vaikka eksitonit muodostuvat tyypillisesti, kun materiaali absorboi valoa, löytömme paljastavat, että niitä voidaan luoda myös varautuneiden tilojen kautta käyttämällä näitä erityisesti suunniteltuja terahertsipulsseja", sanoo professori Ikufumi Katayama.

"Tämä avaa uusia mahdollisuuksia hallita, miten varaus liikkuu molekyyleissä, mikä voi johtaa parempiin aurinkokennoihin, pienempiin valopohjaisiin laitteisiin ja nopeampaan elektroniikkaan."

Ryhmän tärkein oli kyky hallita eksitonin muodostumista yksittäisen molekyylin tasolla. Professori Jun Takeda selittää: "Nämä prosessit tapahtuvat yleensä satunnaisesti, mutta terahertsipulsseilla voimme määrittää tarkalleen, milloin ja miten tämä reaktio voi tapahtua molekyylien tasolla. Tämä voi johtaa läpimurtoihin nanoteknologiassa, kehittyneissä materiaaleissa ja tehokkaampiin katalyytteihin energian ja teollisuuden parissa."

Aiheesta aiemmin:

Molekylaarisen elektronisiirron kvanttisimulaatio

Mallinnusta ja johteita molekyylielektroniikkaan