Čeští vědci z Univerzity Karlovy, Vysokého učení technického v Brně a Masarykovy univerzity publikovali v prestižním časopise Nano Letters studii, která ukazuje, jak lze grafen využít jako šablonu pro přípravu vysoce uspořádaných molekulárních struktur a studium jejich kvantových vlastností.
Tým vedený doc. Janem Kuncem z Fyzikálního ústavu UK nanesl tenké vrstvy organického polovodiče hexamethoxytrifenylenu (HMTP) na epitaxní grafen připravený na karbidu křemíku. Krystalová mřížka grafenu, tvořená jedinou vrstvou atomů uhlíku v šestiúhelníkovém uspořádání, přirozeně ovlivňuje rozmístění molekul a umožňuje dosáhnout mimořádně pravidelné struktury. Aby povrch grafenu zůstal atomárně čistý, museli vědci vyvinout speciální postupy nanofabrikace.
Pomocí optické spektroskopie, elektronové difrakce a dalších pokročilých mikroskopických metod zjistili, že molekuly HMTP na povrchu grafenu vzájemně interagují a vytvářejí dva odlišné energetické stavy. Jde o takzvané světlé a temné excitony, tedy vázané páry elektronu a díry vznikající po pohlcení fotonu, které se liší intenzitou interakce se světlem. „V naměřených spektrech optické absorpce a emise jsme odhalili komplexní strukturu, která odpovídá vzniku dvou odlišných excitonových stavů oddělených energií přibližně 90 meV,“ popisuje doc. Kunc.
Výzkum zároveň prokázal zásadní roli molekulárních vibrací při relaxaci elektronových excitací a následné emisi světla. Experimentální data vědci interpretovali matematickým modelem, který popisuje vazbu mezi elektronovými excitacemi a vibracemi molekul. Do klasického Franckova-Condonova přístupu zahrnuli Herzbergovu-Tellerovu korekci, díky níž dokázali vysvětlit intenzitní profil pozorovaný v měřeních.
Takto určené parametry elektronově-vibrační vazby mohou v budoucnu sloužit při parametrizaci složitějších teoretických modelů, například Holsteinova hamiltoniánu, jehož hodnoty se z prvních principů stanovují jen obtížně. Připravená heterostruktura grafenu s organickým molekulárním krystalem má podle autorů potenciál jako experimentální platforma pro studium kvantových jevů v organických polovodičích s možným využitím v molekulární optoelektronice a kvantových technologiích.