Molekyler som är involverade i fotosyntesen uppvisar samma kvanteffekter som icke-levande materia, avslutar ett internationellt team av forskare inklusive University of Groningen teoretiske fysikern Thomas la Cour Jansen. Detta är första gången som kvantmekaniskt beteende bevisades existera i biologiska system som är involverade i fotosyntes. Tolkningen av dessa kvanteffekter i fotosyntes kan hjälpa till i utvecklingen av naturinspirerade ljusskördande enheter. Resultaten publicerades i Naturkemi den 21 maj.

Sedan flera år tillbaka, det har varit en debatt om kvanteffekter i biologiska system. Grundtanken är att elektroner kan vara i två tillstånd samtidigt, tills de observeras. Detta kan jämföras med tankeexperimentet känt som Schrödingers katt. Katten är inlåst i en låda med en flaska med ett giftigt ämne. Om locket på flaskan är låst med ett kvantsystem, den kan vara öppen eller stängd samtidigt, så katten är i en blandning av tillstånden "död" och "levande, " tills vi öppnar lådan och observerar systemet. Detta är precis det uppenbara beteendet hos elektroner.

Vibrationer

I tidigare forskning, forskare hade redan hittat signaler som tyder på att ljusskördande molekyler i bakterier kan exciteras till två tillstånd samtidigt. Detta bevisade i sig involveringen av kvantmekaniska effekter, men i dessa experiment, det upphetsade tillståndet påstås vara mer än 1 pikosekund (0,000 000 000 001 sekund). Detta är mycket längre än man skulle förvänta sig på basis av kvantmekanisk teori.

Jansen och hans kollegor visar i sin publikation att denna tidigare observation är felaktig. "Vi har visat att kvanteffekterna de rapporterade helt enkelt var regelbundna vibrationer av molekylerna." Därför, teamet fortsatte sökandet. "Vi undrade om vi kanske kunde observera den där Schrödinger-kattsituationen."

Superposition

De använde olika polarisationer av ljus för att utföra mätningar i ljusskördande gröna svavelbakterier. Bakterierna har ett fotosynteskomplex, består av sju ljuskänsliga molekyler. En foton kommer att excitera två av dessa molekyler, men energin överlagras på båda. Så precis som katten är död eller levande, den ena eller andra molekylen exciteras av fotonen. "I fallet med en sådan överlagring, spektroskopi bör visa en specifik oscillerande signal, " förklarar Jansen. "Och det är verkligen vad vi såg. Vidare, vi hittade kvanteffekter som varade exakt så länge som man kunde förvänta sig baserat på teori och bevisade att dessa tillhör energi som är överlagrad på två molekyler samtidigt." Jansen drar slutsatsen att biologiska system uppvisar samma kvanteffekter som icke-biologiska system.

De observationstekniker som utvecklats för detta forskningsprojekt kan tillämpas på olika system, både biologiska och icke-biologiska. Jansen är nöjd med resultatet. "Detta är en intressant observation för alla som är intresserade av kvantmekanikens fascinerande värld. Dessutom, resultaten kan spela en roll i utvecklingen av nya system, såsom lagring av solenergi eller utveckling av kvantdatorer."