moléculas excitadas simultáneamente
© Thomas la Cour Jansen / Universidad de Groningen
La figura muestra el complejo fotosintético de bacterias de azufre verde que capturan la luz. Los círculos verde y amarillo resaltan las dos moléculas excitadas simultáneamente.
El gato de Schrödinger vive también en los sistemas biológicos, además de en los sistemas no orgánicos, ya que una investigación ha determinado que las moléculas implicadas en la fotosíntesis presentan los mismos efectos cuánticos que la materia inerte. La superposición de estados se consiguió en una bacteria sensible a la luz.

Las moléculas implicadas en la fotosíntesis presentan los mismos efectos cuánticos que la materia no orgánica, según una nueva investigación de la Universidad de Groninguen (Holanda) dirigida por Thomas La Cour Jansen.

La interpretación de estos efectos cuánticos en la fotosíntesis puede ayudar al desarrollo de dispositivos de captación de la luz inspirados en la naturaleza, señalan los investigadores en un comunicado. Los resultados se publican en la revista Nature Chemistry.

Desde hace años, existe un debate científico sobre los efectos cuánticos de los sistemas biológicos. La idea fundamental es que los electrones pueden estar en dos estados diferentes a la vez hasta que se produce la observación, tal como se refleja en la experiencia de pensamiento conocida como gato de Schrödinger.

En esta experiencia, el gato está en una superposición de estados, vivo y muerto a la vez, hasta que el observador entra en escena y descubre (o determina) si está vivo o muerto. Este es el comportamiento aparente de los electrones.

Investigaciones anteriores ya habían determinado que las moléculas captadoras de luz que se encuentran en bacterias pueden ser excitadas en dos estados simultáneos. Esta constatación probaría que se dan efectos mecánico-cuánticos en los sistemas biológicos, pero en las experiencias realizadas hasta ahora esa excitación cuántica duraba algo más de 1 picosegundo (la billonésima parte de un segundo), mucho más de lo que podría esperarse según la mecánica cuántica.

La nueva investigación demuestra que esta observación anterior es falsa, que los supuestos efectos cuánticos observados anteriormente en las moléculas captadoras de luz eran sólo vibraciones regulares de estas partículas.

En busca del gato de Schrödinger

Esta constatación llevó a Jansen y a su equipo a profundizar en la investigación, para comprobar si efectivamente el efecto del gato de Schrödinger se manifiesta en materia no orgánica.

Para ello utilizaron diferentes polarizaciones de la luz para efectuar medidas en un grupo de bacterias conocidas como Chlorobi, capaces de captar la luz. Estas bacterias poseen un complejo fotosintético constituido de siete moléculas sensibles a la luz.

En el experimento, un fotón excitó a dos de estas moléculas sensibles a la luz y la espectroscopia mostró la superposición de estados típica del universo cuántico, mostrando una señal oscilatoria específica.

Este fenómeno de superposición duró el tiempo previsto por la mecánica cuántica, demostrando así que los efectos cuánticos conseguidos en las bacterias procedían de la energía superpuesta simultáneamente a las dos moléculas. Según Jansen, los sistemas biológicos presentan efectivamente los mismos efectos cuánticos que los sistemas no biológicos.

Las técnicas de observación desarrolladas para este proyecto de investigación pueden aplicarse a diferentes sistemas, biológicos o no, lo que permitirá a otros científicos aprovecharlas para desarrollar sistemas de almacenamiento de energía solar u ordenadores cuánticos, concluyen los investigadores.
Referencia

Identification and characterization of diverse coherences in the Fenna-Matthews-Olson complex. Erling Thyrhaug, Thomas L. C. Jansen et al. Nature Chemistry (2018). doi:10.1038/s41557-018-0060-5