Materiewellen-Spektroskopie

Das QUAOS-Projekt widmet sich dem Welle-Teilchen-Dualismus, der häufig als das Herz der Quantenmechanik bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um die Erscheinung, dass sowohl Licht als auch Materie in einigen Experimenten die Eigenschaften von Wellen aufweisen, in anderen jedoch korpuskular erscheinen. Selbst komplexe Moleküle, wie C60-Fullerene, Vitamine oder Peptide zeigen unter geeigneten experimentellen Bedingungen ihre quantenmechanische Welleneigenschaft, darunter vor allem Beugung und Interferenz. Diese Phänomene können auch für wesentlich größere Moleküle beobachtet werden, wobei der Weltrekord in Wien aktuell bei der etwa 10.000-fachen Masse eines Wasserstoffatoms liegt. Während die moderne experimentelle Quantenmechanik noch auf der Suche nach Antworten auf die Frage ist, wie der Übergang von der klassischen- zur Quantenmechanik im Detail verstanden werden kann, ist die einzigartige Wellennatur mikroskopischer Materie ein ideales Werkzeug, um Informationen über molekulare Eigenschaften zu erhalten. Manche Welleneigenschaften, wie z.B. die Phase, reagieren sehr empfindlich auf äußere Einflüsse. Die Interferenzstreifen werden verschoben, wenn die Moleküle mit Licht in Wechselwirkung treten. Dieser Effekt kann nun ausgenutzt werden, um das optische Verhalten diverser Moleküle zu untersuchen. Interessante Testkandidaten für diese neuartige Spektroskopie- Methode sind biologisch relevante Moleküle wie Vitamine, Peptide und kleine Proteine. Da das optische Verhalten generell als eine Art Fingerabdruck ihrer internen Struktur aufgefasst werden kann, ist dessen Bestimmung von großer Bedeutung für ein besseres Verständnis fundamentaler Konzepte in einer Vielzahl relevanter biomolekularer Prozesse.

Der Welle-Teilchen Dualismus ist ein allgegenwärtiges Phänomen der Quantenphysik und löst immer noch Verwirrung aus, wenn wir sie in komplexer Materie beobachten, obwohl sie seit fast einem Jahrhundert bekannt ist: Wie kann ein Objekt wellenartig delokalisiert werden? Wenn die Quantenphysik eine universelle Theorie ist: Wie komplex kann ein Objekt sein, um dieses kontraintuitive Verhalten noch zu beobachten? Gilt sie auch für größere Materieklumpen oder sogar für die Bausteine des Lebens? Das QUAOS-Projekt führte zu neuen Quantenexperimenten mit natürlichen Biomolekülen an der Universität Wien, die durch quantenchemische Modellierung an der Stanford Universität unterstützt wurden, und half dabei, Antworten auf diese Fragen zu finden. QUAOS zeigte zum ersten Mal die Quantenwellennatur des komplexen, antibiotischen Polypeptids Gramicidin unter Verwendung einer sehr empfindlichen Technik, die als Talbot-Lau-Interferometrie in der Zeitdomäne bekannt ist. Interferenzmuster wurden aufgezeichnet und zeigen, dass die molekulare Kohärenz über mehr als das 20-fache der Größe des Moleküls delokalisiert wurde, was nur Quantenmechanisch erklärt werden kann. Diese Schlussfolgerung wird durch zusätzliche quantenchemische Berechnungen auf hohem Niveau bestätigt, die in Zusammenarbeit mit Todd J. Martinez von der Stanford Universität erhalten wurden und die Eigenschaften der elektronischen Struktur vorhersagen, die in Quantenphasenraumsimulationen zur Modellierung des Interferenzprozesses eingehen. QUAOS unterstützte ferner die Weiterentwicklung von Methoden zur Erzeugung, Detektion und Interferometrie komplexer Moleküle. Es erlaubte schließlich, die Quantenphysik mit langen Aminosäureketten zu testen, die bisher unzugänglich geblieben waren. Die Herausforderungen betrafen hauptsächlich die Erzeugung ausreichend intensiver Molekularstrahlen von Biopolymeren, um sie im Hochvakuum von störenden Umgebungen zu isolieren, und kohärente Werkzeuge zur Untersuchung ihrer Quantennatur. Ein Schlüssel zu diesem Erfolg war die Verwendung von ultraschnellem und intensivem Laserlicht, um die Peptide zu desorbieren, bevor sie sich zersetzen konnten, und Materie-Wellen-Interferometrie unter Verwendung von Beugungselementen basierend auf Quantenmessungen. Diese neuen Techniken werden den Weg ebnen, noch komplexere biologische Nanomaterialien von Proteinen über DNA bis hin zu Enzymen zu untersuchen. Dieses Forschungsvorhaben wurde vom grundlegenden Interessen angetrieben, die Grenzen der Quantenphysik zu erforschen und neuartige, quantenunterstützte Technologien als minimalinvasive Analysewerkzeuge für einzelne, in der Gasphase isolierte Biomoleküle zu etablieren. QUAOS ermöglichte detaillierte Untersuchungen der Quanteneigenschaften von Biomolekülen, öffnet in naher Zukunft die Tür für eine neue Art der optischen Spektroskopie biologisch relevanter Moleküle und etabliert das neue Forschungsfeld der quantenunterstützten Molekülmetrologie.