La physique quantique nous enseigne que des particules non observées peuvent se propager dans l'espace comme des vagues. Ceci est philosophiquement intrigant et technologiquement pertinent :une équipe de recherche de l'Université de Vienne a démontré que la combinaison de l'interférométrie quantique expérimentale avec la chimie quantique permet de dériver des informations sur les propriétés optiques et électroniques des biomolécules, ici illustré avec un ensemble de vitamines. Ces résultats ont été publiés dans la revue Angewandte Chemie Édition Internationale .

Interférence quantique et métrologie avec les molécules

Même si les vitamines jouent un rôle central en biologie, leurs propriétés physiques en phase gazeuse sont encore moins bien étudiées. Le potentiel des méthodes quantiques dans les études biomoléculaires, a maintenant été exploré à l'Université de Vienne. Dans ce but, Lukas Mairhofer, Sandra Eibenberger et ses collègues du groupe de recherche autour de Markus Arndt à l'Université de Vienne, faisceaux moléculaires préparés de (pro)vitamines A, E et K1, c'est-à-dire la β-carotine, α-tocophérol et phylloquinone. Ces molécules volent ensuite dans un vide poussé à travers un agencement de trois nanoréseaux. Le premier réseau force chaque molécule à travers l'une des mille fentes environ, chacun d'eux ne fait que 110 nanomètres de large. Selon le principe d'incertitude de Heisenberg, cette constriction de la position moléculaire entraîne une indétermination de la direction moléculaire du vol – la molécule est spatialement « délocalisée ». Cela prépare l'état de mouvement de chaque molécule de telle sorte qu'il devienne impossible, même en principe, suivre le cheminement de la molécule tout au long de l'expérience.

Le deuxième réseau est réalisé avec un faisceau laser vert à haute puissance qui est rétroréfléchi sur un miroir à l'intérieur du vide. Une onde lumineuse stationnaire se forme, c'est-à-dire un réseau périodique de régions d'intensité lumineuse élevée et faible. Lorsqu'elles arrivent à ce deuxième réseau, chaque molécule est déjà délocalisée de telle sorte que leurs fonctions d'onde couvrent plusieurs régions claires et sombres – même si celles-ci sont plus de cent fois plus éloignées que la taille de chaque molécule. Dans les zones claires et sombres, les molécules sont plus ou moins accélérées. Cela module le front d'onde quantique étendu. Puisque les molécules ne suivent pas un chemin bien défini mais plutôt une superposition de chemins possibles à travers la machine, un schéma d'interférence se dégage :c'est une distribution périodique des probabilités de trouver une molécule à un endroit donné. Ce motif est ensuite comparé au troisième réseau, qui est une copie du premier réseau de nitrure de silicium.

Règle quantique pour les biomolécules

Le motif d'interférence structuré ultra-fin est utilisé comme une règle quantique pour lire les déflexions nanométriques du faisceau moléculaire, qui sont difficiles à mesurer par des méthodes établies. La modulation et la position du motif d'interférence permet alors d'extraire des informations sur l'interaction des biomolécules avec des champs externes. Cela inclut l'interaction avec le faisceau laser diffractant ainsi qu'avec un champ électrique contrôlé qui décale le modèle de densité moléculaire. Les chercheurs l'utilisent pour déterminer les propriétés électroniques et optiques de molécules biologiquement pertinentes, ici les (pro)vitamines A, E et K1. Provitamine A, par exemple, joue un rôle important dans la photosynthèse. Lukas Mairhofer, l'auteur principal de cette étude, se réjouit :« Nous disposons d'un outil universel pour améliorer les mesures des propriétés biomoléculaires.

Comparaison avec des simulations moléculaires

Les résultats expérimentaux ont été comparés aux simulations. Dans ce but, les simulations classiques de dynamique moléculaire décrivent l'évolution temporelle de la structure moléculaire et sont combinées avec la théorie fonctionnelle de la densité pour évaluer les propriétés électroniques. Il en résulte un bon accord entre l'expérience et la théorie. La combinaison de l'interférométrie moléculaire et de la chimie quantique sert d'exemple pour la collaboration réussie à l'interface entre l'optique quantique et la chimie physique.