De kwantumfysica leert ons dat niet-waargenomen deeltjes zich als golven door de ruimte kunnen voortplanten. Dit is filosofisch intrigerend en van technologisch belang:een onderzoeksteam van de Universiteit van Wenen heeft aangetoond dat het combineren van experimentele kwantuminterferometrie met kwantumchemie het mogelijk maakt informatie af te leiden over optische en elektronische eigenschappen van biomoleculen, hier geïllustreerd met een reeks vitamines. Deze resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie .

Kwantuminterferentie en metrologie met moleculen

Hoewel vitamines een centrale rol spelen in de biologie, hun fysische eigenschappen in de gasfase zijn nog minder goed bestudeerd. Het potentieel van op kwantum gebaseerde methoden in biomoleculaire studies, is nu onderzocht aan de Universiteit van Wenen. Met dat doel, Lukas Maihofer, Sandra Eibenberger en collega's in de onderzoeksgroep rond Markus Arndt aan de Universiteit van Wenen, geprepareerde moleculaire bundels van (pro)vitaminen A, E en K1, dat is β-carotine, α-tocoferol en phylloquinon. Deze moleculen vliegen dan in hoog vacuüm door een opstelling van drie nanoroosters. Het eerste rooster dwingt elk molecuul door een van de ongeveer duizend spleten, elk van hen slechts 110 nanometer breed. Volgens het onzekerheidsprincipe van Heisenberg geldt deze vernauwing van de moleculaire positie brengt een onbepaaldheid van de moleculaire vluchtrichting met zich mee - het molecuul is ruimtelijk "gedelokaliseerd". Dit bereidt de bewegingstoestand van elk afzonderlijk molecuul voor zodat het onmogelijk wordt, zelfs in principe om het pad van het molecuul door het experiment te volgen.

Het tweede rooster wordt gerealiseerd met een groene krachtige laserstraal die wordt teruggekaatst naar een spiegel in het vacuüm. Er ontstaat een staande lichtgolf, d.w.z. een periodieke reeks van gebieden met hoge en lage lichtintensiteit. Wanneer ze bij dit tweede rooster aankomen, is elk molecuul al gedelokaliseerd, zodat hun golffuncties verschillende heldere en donkere gebieden bestrijken - ook al zijn deze meer dan honderd keer verder van elkaar verwijderd dan de grootte van elk molecuul. Binnen de lichte en donkere zones, de moleculen worden min of meer versneld. Dit moduleert het uitgebreide kwantumgolffront. Omdat de moleculen geen goed gedefinieerd pad volgen, maar eerder een superpositie van mogelijke paden door de machine, er ontstaat een interferentiepatroon:dit is een periodieke verdeling van kansen om een ​​molecuul op een bepaalde locatie te vinden. Dit patroon wordt dan vergeleken met het derde rooster, wat een kopie is van het eerste siliciumnitriderooster.

Kwantumliniaal voor biomoleculen

Het ultrafijn gestructureerde interferentiepatroon wordt gebruikt als een kwantumliniaal om nanometrische afbuigingen van de moleculaire bundel uit te lezen, die moeilijk te meten zijn met gevestigde methoden. De modulatie en positie van het interferentiepatroon maakt het vervolgens mogelijk om informatie te extraheren over de interactie van de biomoleculen met externe velden. Dit omvat de interactie met de diffracterende laserstraal en met een gecontroleerd elektrisch veld dat het moleculaire dichtheidspatroon verschuift. Hiermee bepalen de onderzoekers elektronische en optische eigenschappen van biologisch relevante moleculen, hier de (pro)vitaminen A, E en K1. Pro-vitamine A, bijvoorbeeld, speelt een belangrijke rol bij de fotosynthese. Lukas Maihofer, de hoofdauteur van deze studie, is blij:"We hebben een universele tool voor verbeterde metingen van biomoleculaire eigenschappen."

Vergelijking met moleculaire simulaties

De experimentele resultaten werden vergeleken met simulaties. Met dat doel, klassieke moleculaire dynamica-simulaties beschrijven de tijdsevolutie van de moleculaire structuur en worden gecombineerd met dichtheidsfunctionaaltheorie om de elektronische eigenschappen te beoordelen. Dit resulteert in een goede overeenkomst tussen experiment en theorie. De combinatie van molecuulinterferometrie en kwantumchemie dient als voorbeeld voor de succesvolle samenwerking op het grensvlak tussen kwantumoptica en fysische chemie.