Des pertes d’énergie réduites de plus de 100 fois grâce à une découverte

Les chercheurs ont annoncé avoir réalisé une découverte majeure dans le domaine de la mécanique quantique en établissant de nouvelles règles de conception moléculaire capables de stopper la danse frénétique des électrons couplés aux vibrations atomiques

Depuis la découverte de la mécanique quantique il y a plus d’un siècle, il est connu que les électrons dans les molécules peuvent être couplés au mouvement des atomes qui composent ces molécules. Souvent appelées vibrations moléculaires, ces mouvements atomiques agissent comme de minuscules ressorts, subissant un mouvement périodique. Pour les électrons dans ces systèmes, être liés à ces vibrations signifie qu’ils sont constamment en mouvement, dansant au rythme des atomes, sur des échelles de temps d’un millionième de milliardième de seconde.

Toutefois, toute cette danse entraîne une perte d’énergie et limite les performances des molécules organiques dans des applications telles que les diodes électroluminescentes organiques (OLED), les capteurs infrarouges et les biomarqueurs fluorescents utilisés dans l’étude des cellules et pour le marquage de maladies comme les cellules cancéreuses.

Des chercheurs utilisant des techniques spectroscopiques basées sur le laser ont découvert de «nouvelles règles de conception moléculaire» capables de stopper cette danse moléculaire. Leurs résultats, rapportés dans la revue Nature, ont révélé des principes de conception cruciaux qui peuvent arrêter le couplage des électrons aux vibrations atomiques, stoppant ainsi leur danse frénétique et propulsant les molécules vers des performances inégalées.

Pratyush Ghosh, doctorant au Cavendish Laboratory, premier auteur de l’étude et membre du St John’s College, explique : «Toutes les molécules organiques, telles que celles trouvées dans les cellules vivantes ou dans l’écran de votre téléphone, sont constituées d’atomes de carbone reliés entre eux par une liaison chimique. Ces liaisons chimiques sont comme de minuscules ressorts vibrants, qui sont généralement ressentis par les électrons, altérant les performances des molécules et des dispositifs. Cependant, nous avons maintenant découvert que certaines molécules peuvent éviter ces effets néfastes lorsque nous restreignons la structure géométrique et électronique de la molécule à certaines configurations spéciales.»

Pour démontrer ces principes de conception, les scientifiques ont conçu une série de molécules efficaces émettant dans le proche infrarouge (680-800 nm). Dans ces molécules, les pertes d’énergie résultant des vibrations – essentiellement, les électrons dansant au rythme des atomes – étaient plus de 100 fois inférieures à celles des molécules organiques précédentes.

Cette compréhension et le développement de nouvelles règles pour concevoir des molécules émettrices de lumière ont ouvert une trajectoire extrêmement intéressante pour l’avenir, où ces observations fondamentales peuvent être appliquées à diverses industries.

Le professeur Akshay Rao du Cavendish Laboratory, qui a dirigé cette recherche, conclut : «Ces molécules ont également un large éventail d’applications aujourd’hui. La tâche consiste maintenant à traduire notre découverte pour améliorer les technologies, des écrans améliorés aux molécules optimisées pour l’imagerie biomédicale et la détection des maladies.»

Illustration d’artiste de la propriété d’émission de lumière d’une molécule organique modulée par la danse quantique des atomes. Credit : Pratyush Ghosh, Cavendish Laboratory, University of Cambridge

Pratyush Ghosh et al, ‘Decoupling excitons from high-frequency vibrations in organic molecules’, Nature. 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07246-x