Kvantfysiken lär oss att oobserverade partiklar kan föröka sig genom rymden som vågor. Detta är filosofiskt spännande och av teknisk relevans:ett forskarlag vid universitetet i Wien har visat att kombinationen av experimentell kvantinterferometri med kvantkemi gör det möjligt att härleda information om optiska och elektroniska egenskaper hos biomolekyler, här exemplifierat med en uppsättning vitaminer. Dessa resultat har publicerats i tidskriften Angewandte Chemie International Edition .

Kvantinterferens och metrologi med molekyler

Även om vitaminer spelar en central roll i biologin, deras fysikaliska egenskaper i gasfas är fortfarande mindre väl studerade. Potentialen hos kvantbaserade metoder i biomolekylära studier, har nu utforskats vid universitetet i Wien. I det syftet, Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger och kollegor i forskargruppen kring Markus Arndt vid universitetet i Wien, beredda molekylära strålar av (pro) vitamin A, E och K1, det vill säga β-karotin, a-tokoferol och fyllokinon. Dessa molekyler flyger sedan i högvakuum genom ett arrangemang av tre nanogratings. Det första gallret tvingar varje molekyl genom en av cirka tusen slitsar, var och en av dem endast 110 nanometer breda. Enligt Heisenbergs osäkerhetsprincip, denna förträngning av den molekylära positionen medför en obestämbarhet av den molekylära flygriktningen – molekylen är rumsligt "delokaliserad". Detta förbereder rörelsetillståndet för varje enskild molekyl så att det blir omöjligt, även i princip, att följa molekylens väg genom experimentet.

Det andra gallret realiseras med en grön kraftfull laserstråle som återreflekteras vid en spegel inuti vakuumet. En stående ljusvåg bildas, d.v.s. en periodisk grupp av områden med hög och låg ljusintensitet. När de anländer till detta andra gitter är varje molekyl redan delokaliserad så att deras vågfunktioner täcker flera ljusa och mörka områden – även om dessa är mer än hundra gånger längre åtskilda än storleken på varje molekyl. Inom de ljusa och mörka zonerna, molekylerna är mer eller mindre accelererade. Detta modulerar den utökade kvantvågfronten. Eftersom molekylerna inte följer en väldefinierad väg utan snarare en överlagring av möjliga vägar genom maskinen, ett interferensmönster framträder:detta är en periodisk fördelning av sannolikheter för att hitta en molekyl på en given plats. Detta mönster jämförs sedan med det tredje gallret, som är en kopia av det första kiselnitridgallret.

Kvantlinjal för biomolekyler

Det ultrafina strukturerade interferensmönstret används som en kvantlinjal för att läsa ut nanometriska avböjningar av den molekylära strålen, som är svåra att mäta med etablerade metoder. Moduleringen och positionen av interferensmönstret tillåter sedan att extrahera information om biomolekylernas interaktion med externa fält. Detta inkluderar interaktionen med den diffrakterande laserstrålen såväl som med ett kontrollerat elektriskt fält som ändrar molekyldensitetsmönstret. Forskarna använder detta för att bestämma elektroniska och optiska egenskaper hos biologiskt relevanta molekyler, här (pro)vitaminerna A, E och K1. Pro-vitamin A, till exempel, spelar en viktig roll i fotosyntesen. Lukas Mairhofer, huvudförfattaren till denna studie, är glad:"Vi har ett universellt verktyg för förbättrade mätningar av biomolekylära egenskaper."

Jämförelse med molekylära simuleringar

De experimentella resultaten jämfördes med simuleringar. I det syftet, klassiska molekylära dynamiksimuleringar beskriver tidsutvecklingen av molekylstrukturen och kombineras med densitetsfunktionsteori för att bedöma de elektroniska egenskaperna. Detta resulterar i en bra överensstämmelse mellan experiment och teori. Kombinationen av molekylinterferometri och kvantkemi fungerar som ett exempel för det framgångsrika samarbetet i gränssnittet mellan kvantoptik och fysikalisk kemi.