A física quântica nos ensina que partículas não observadas podem se propagar através do espaço como ondas. Isso é filosoficamente intrigante e de relevância tecnológica:uma equipe de pesquisa da Universidade de Viena demonstrou que combinar interferometria quântica experimental com química quântica permite derivar informações sobre propriedades ópticas e eletrônicas de biomoléculas, aqui exemplificado com um conjunto de vitaminas. Esses resultados foram publicados na revista Angewandte Chemie International Edition .

Interferência quântica e metrologia com moléculas

Mesmo que as vitaminas desempenhem um papel central na biologia, suas propriedades físicas da fase gasosa são ainda menos estudadas. O potencial dos métodos baseados em quantum em estudos biomoleculares, já foi explorado na Universidade de Viena. Para aquele propósito, Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger e colegas do grupo de pesquisa em torno de Markus Arndt na Universidade de Viena, preparou feixes moleculares de (pró) vitaminas A, E und K1, isso é β-carotina, α-Tocoferol e Filoquinona. Essas moléculas voam então em alto vácuo através de um arranjo de três nanogratings. A primeira grade força cada molécula através de uma das cerca de mil fendas, cada um deles com apenas 110 nanômetros de largura. De acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg, esta constrição da posição molecular acarreta uma indeterminação da direção molecular do vôo - a molécula é espacialmente "deslocalizada". Isso prepara o estado de movimento de cada molécula de forma que se torne impossível, mesmo em princípio, para seguir o caminho da molécula durante o experimento.

A segunda grade é realizada com um feixe de laser verde de alta potência que é retrorrefletido em um espelho dentro do vácuo. Uma onda de luz estacionária é formada, isto é, uma matriz periódica de regiões de alta e baixa intensidade de luz. Quando eles chegam a essa segunda grade, cada molécula já está deslocalizada de modo que suas funções de onda cobrem várias regiões claras e escuras - embora estas estejam mais de cem vezes separadas do que o tamanho de cada molécula. Dentro das zonas claras e escuras, as moléculas são mais ou menos aceleradas. Isso modula a frente de onda quântica estendida. Uma vez que as moléculas não seguem um caminho bem definido, mas sim uma superposição de caminhos possíveis através da máquina, surge um padrão de interferência:esta é uma distribuição periódica de probabilidades de encontrar uma molécula em um determinado local. Este padrão é então comparado com a terceira grade, que é uma cópia da primeira grade de nitreto de silício.

Régua quântica para biomoléculas

O padrão de interferência estruturado ultrafino é usado como uma régua quântica para ler as deflexões nanométricas do feixe molecular, que são difíceis de medir por métodos estabelecidos. A modulação e a posição do padrão de interferência permitem, então, extrair informações sobre a interação das biomoléculas com campos externos. Isso inclui a interação com o feixe de laser de difração, bem como com um campo elétrico controlado que muda o padrão de densidade molecular. Os pesquisadores usam isso para determinar propriedades eletrônicas e ópticas de moléculas biologicamente relevantes, aqui as (pró) vitaminas A, E und K1. Pró-vitamina A, por exemplo, desempenha um papel importante na fotossíntese. Lukas Mairhofer, o principal autor deste estudo, está feliz:"Temos uma ferramenta universal para medições aprimoradas das propriedades biomoleculares."

Comparação com simulações moleculares

Os resultados experimentais foram comparados com simulações. Para aquele propósito, simulações clássicas de dinâmica molecular descrevem a evolução temporal da estrutura molecular e são combinadas com a teoria do funcional de densidade para avaliar as propriedades eletrônicas. Isso resulta em um bom acordo entre experimento e teoria. A combinação de interferometria de moléculas e química quântica serve como um exemplo para a colaboração bem-sucedida na interface entre a óptica quântica e a química física.