La fisica quantistica ci insegna che le particelle inosservate possono propagarsi nello spazio come le onde. Ciò è filosoficamente intrigante e di rilevanza tecnologica:un gruppo di ricerca dell'Università di Vienna ha dimostrato che combinando l'interferometria quantistica sperimentale con la chimica quantistica consente di ricavare informazioni sulle proprietà ottiche ed elettroniche delle biomolecole, qui esemplificato con un insieme di vitamine. Questi risultati sono stati pubblicati sulla rivista Angewandte Chemie Edizione Internazionale .

Interferenza quantistica e metrologia con le molecole

Anche se le vitamine svolgono un ruolo centrale in biologia, le loro proprietà fisiche in fase gassosa sono ancora meno studiate. Il potenziale dei metodi quantistici negli studi biomolecolari, è stato ora esplorato presso l'Università di Vienna. Per quello scopo, Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger e colleghi del gruppo di ricerca intorno a Markus Arndt dell'Università di Vienna, fasci molecolari preparati di (pro)vitamina A, E e K1, cioè β-carotina, α-tocoferolo e fillochinone. Queste molecole volano poi in alto vuoto attraverso una disposizione di tre nanogratili. Il primo reticolo spinge ogni molecola attraverso una delle circa mille fessure, ciascuno di loro solo 110 nanometri di larghezza. Secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg, questa costrizione della posizione molecolare comporta un'indeterminatezza della direzione di volo molecolare – la molecola è spazialmente "delocalizzata". Questo prepara lo stato motorio di ogni singola molecola in modo che diventi impossibile, anche in linea di principio, seguire il percorso della molecola attraverso l'esperimento.

Il secondo reticolo è realizzato con un raggio laser verde ad alta potenza che viene retroriflesso su uno specchio all'interno del vuoto. Si forma un'onda luminosa stazionaria, cioè una serie periodica di regioni di alta e bassa intensità luminosa. Quando arrivano a questo secondo reticolo, ogni molecola è già delocalizzata in modo tale che le loro funzioni d'onda coprono diverse regioni luminose e scure, anche se queste sono più di cento volte più separate della dimensione di ciascuna molecola. All'interno delle zone luminose e scure, le molecole sono più o meno accelerate. Questo modula il fronte d'onda quantistico esteso. Poiché le molecole non seguono un percorso ben definito ma piuttosto una sovrapposizione di possibili percorsi attraverso la macchina, emerge un pattern di interferenza:questa è una distribuzione periodica di probabilità di trovare una molecola in una data posizione. Questo schema viene poi confrontato con il terzo reticolo, che è una copia del primo reticolo di nitruro di silicio.

Righello quantistico per biomolecole

Il modello di interferenza strutturato ultra-fine viene utilizzato come righello quantistico per leggere le deviazioni nanometriche del raggio molecolare, difficili da misurare con metodi consolidati. La modulazione e la posizione del pattern di interferenza consente quindi di estrarre informazioni sull'interazione delle biomolecole con i campi esterni. Ciò include l'interazione con il raggio laser di diffrazione e con un campo elettrico controllato che sposta il modello di densità molecolare. I ricercatori lo usano per determinare le proprietà elettroniche e ottiche di molecole biologicamente rilevanti, qui le (pro)vitamine A, E e K1. Pro-vitamina A, Per esempio, svolge un ruolo importante nella fotosintesi. Lukas Mairhofer, l'autore principale di questo studio, è felice:"Abbiamo uno strumento universale per migliorare le misurazioni delle proprietà biomolecolari".

Confronto con simulazioni molecolari

I risultati sperimentali sono stati confrontati con simulazioni. Per quello scopo, le simulazioni classiche di dinamica molecolare descrivono l'evoluzione temporale della struttura molecolare e sono combinate con la teoria del funzionale della densità per valutare le proprietà elettroniche. Ciò si traduce in un buon accordo tra esperimento e teoria. La combinazione di interferometria molecolare e chimica quantistica serve da esempio per la collaborazione di successo nell'interfaccia tra l'ottica quantistica e la chimica fisica.