La física cuántica nos enseña que las partículas no observadas pueden propagarse a través del espacio como ondas. Esto es filosóficamente intrigante y de relevancia tecnológica:un equipo de investigación de la Universidad de Viena ha demostrado que la combinación de la interferometría cuántica experimental con la química cuántica permite derivar información sobre las propiedades ópticas y electrónicas de las biomoléculas. aquí ejemplificado con un conjunto de vitaminas. Estos resultados se han publicado en la revista Edición internacional Angewandte Chemie .

Interferencia cuántica y metrología con moléculas

Aunque las vitaminas juegan un papel central en la biología, sus propiedades físicas en fase gaseosa están aún menos estudiadas. El potencial de los métodos cuánticos en estudios biomoleculares, ahora se ha explorado en la Universidad de Viena. Para ese propósito, Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger y sus colegas del grupo de investigación sobre Markus Arndt en la Universidad de Viena, haces moleculares preparados de (pro) vitaminas A, E und K1, eso es β-carotina, α-tocoferol y filoquinona. Estas moléculas vuelan luego en alto vacío a través de una disposición de tres nanorejillas. La primera rejilla fuerza a cada molécula a pasar por una de unas mil ranuras, cada uno de ellos sólo 110 nanómetros de ancho. Según el principio de incertidumbre de Heisenberg, esta constricción de la posición molecular implica una indeterminación de la dirección molecular de vuelo:la molécula está espacialmente "deslocalizada". Esto prepara el estado de movimiento de cada molécula de tal manera que se vuelve imposible, incluso en principio, para seguir el camino de la molécula a través del experimento.

La segunda rejilla se realiza con un rayo láser verde de alta potencia que se retrorefleja en un espejo dentro del vacío. Se forma una onda de luz estacionaria, es decir, una matriz periódica de regiones de alta y baja intensidad de luz. Cuando llegan a esta segunda rejilla, cada molécula ya está deslocalizada, de modo que sus funciones de onda cubren varias regiones brillantes y oscuras, aunque estas están más de cien veces más separadas que el tamaño de cada molécula. Dentro de las zonas claras y oscuras, las moléculas están más o menos aceleradas. Esto modula el frente de onda cuántica extendido. Dado que las moléculas no siguen un camino bien definido, sino una superposición de posibles caminos a través de la máquina, surge un patrón de interferencia:se trata de una distribución periódica de probabilidades de encontrar una molécula en una ubicación determinada. Este patrón luego se compara con la tercera rejilla, que es una copia de la primera rejilla de nitruro de silicio.

Regla cuántica para biomoléculas

El patrón de interferencia estructurado ultrafino se utiliza como regla cuántica para leer las deflexiones nanométricas del haz molecular, que son difíciles de medir con métodos establecidos. La modulación y posición del patrón de interferencia permite entonces extraer información sobre la interacción de las biomoléculas con campos externos. Esto incluye la interacción con el rayo láser de difracción, así como con un campo eléctrico controlado que cambia el patrón de densidad molecular. Los investigadores utilizan esto para determinar las propiedades electrónicas y ópticas de moléculas biológicamente relevantes, aquí las (pro) vitaminas A, E und K1. Provitamina A, por ejemplo, juega un papel importante en la fotosíntesis. Lukas Mairhofer, el autor principal de este estudio, está feliz:"Tenemos una herramienta universal para mejorar las mediciones de las propiedades biomoleculares".

Comparación con simulaciones moleculares

Los resultados experimentales se compararon con simulaciones. Para ese propósito, Las simulaciones clásicas de dinámica molecular describen la evolución temporal de la estructura molecular y se combinan con la teoría funcional de la densidad para evaluar las propiedades electrónicas. Esto da como resultado una buena concordancia entre el experimento y la teoría. La combinación de interferometría de moléculas y química cuántica sirve como ejemplo para la colaboración exitosa en la interfaz entre la óptica cuántica y la química física.