Elektronische toestanden tellen in een enkel molecuul

Nieuws - 08 december 2021 - Communication TNW

Een team van onderzoekers uit het Verenigd Koninkrijk, Nederland, Zwitserland en België is erin geslaagd veranderingen in de energieniveaus van een vrije radicaal molecule te meten in een magnetisch veld. Zij konden de thermo-elektrische stromen in het molecuul rechtstreeks meten met behulp van een nieuwe methode, thermocurrent spectroscopy genaamd. Deze methode, die is gepubliceerd in Nano Letters, is een belangrijk instrument voor zowel chemische synthese als voor elektronica op basis van één molecuul.

De entropie - mate van wanorde - van een enkel molecuul kan de aanwezigheid van microscopische elektronische overdrachten onthullen, die momenteel moeilijk waar te nemen zijn. De onderzoekers ontwikkelden een instrument dat zij thermocurrent spectroscopy noemen, om de entropie te meten via de thermo-elektrische stromen die aanwezig zijn wanneer een molecuul zich in een magnetisch veld bevindt. Zij bereikten dit door het molecuul te koppelen aan een nanometer grote spleet tussen twee goudcontacten. Dit enkel-molecuul-apparaat verhit één kant van het molecuul en meet de elektrische stroom die door het molecuul vloeit als reactie op deze 'thermische vertekening'.

Chunwei Hsu

Links: Elektronenmicroscopiebeeld (in valse kleuren) van het moleculaire apparaat. Een moleculair knooppunt wordt gevormd in het vernauwingsgebied (rode cirkel) van een elektronisch-gemigreerde goudbrug (geel). Rechts: Schema van de moleculaire junctie. Een radicaalmolecuul is verbonden met een warm en een koud goudlood. Dit leidt tot een thermo-elektrische stroom die informatie bevat over de entropie van het molecuul. Figuur: Chunwei Hsu

Entropie meten

Zodra elk elektron door de nanometer-spleet gaat, moet het kiezen welke van de moleculaire toestanden het zal innemen gedurende de tijd die het op het molecuul doorbrengt, het aantal toestanden en hun relatieve waarschijnlijkheid van bezetting - allemaal parameters van entropie. Door deze entropie rechtstreeks te meten en hoe dit afhankelijk is van het magnetisch veld, verkreeg de groep onderzoekers informatie over de energieniveaus en de spin in het molecuul. In tegenstelling tot bestaande methoden kan deze nieuwe methode gemakkelijk worden toegepast op elk soort systeem op nanoschaal.

Chunwei Hsu, die het experiment uitvoerde, legt uit: “Entropie is een thermodynamische grootheid die de wanorde in een klassiek systeem beschrijft. In een kwantumsysteem kwantificeert het in wezen de bezetting van toestanden en is het dus belangrijk voor het begrijpen van chemische processen en exotische fysische systemen, zoals Kondo-toestanden en Majorana-fermionen. Hoewel onderzoekers zelden de entropie in deze nanoschaalsystemen kunnen meten, zijn wij erin geslaagd een instrument te maken om de entropie te meten via de thermostroom." Thermocurrentspectroscopie kan nuttig zijn bij zowel chemische synthese als toepassingen in elektronica op basis van één molecuul, bijvoorbeeld bij het ontwerpen van nieuwe OLED-toepassingen voor het maken van digitale beeldschermen, en efficiëntere thermo-elektrische energiegeneratoren.

/* */