Los sorprendentes efectos cu¨¢nticos en la fotos¨ªntesis

Si pensaba que la f¨ªsica cu¨¢ntica solo exist¨ªa en la cabeza de los investigadores, estaba equivocado. Un estudio publicado en Nature Chemistry esta semana explica que las mol¨¦culas encargadas de realizar la fotos¨ªntesis tienen un comportamiento cu¨¢ntico similar al de la materia inerte. Entender este proceso es importante en el desarrollo y mejora del almacenamiento de la energ¨ªa solar. En especial, ayudar¨ªa al progreso de las placas fotovoltaicas org¨¢nicas, m¨¢s baratas de fabricar pero actualmente ineficientes.

El mundo de lo peque?o no es intuitivo: la mec¨¢nica cu¨¢ntica nos ense?a que los electrones pueden estar en dos estados a la vez, hasta que se observan. Un ejemplo com¨²n es el experimento mental del gato de Schr?dinger, en el que se mete un gato (an¨¢logo al electr¨®n estudiado) en una caja con una botella de gas venenoso. Si el tap¨®n de la botella est¨¢ bloqueado con un sistema cu¨¢ntico, puede estar simult¨¢neamente abierto y cerrado, por lo que el gato es una mezcla de estados entre vivo y muerto. Una vez se abre la caja, se interact¨²a con el sistema y se encontrar¨¢ que el gato est¨¢ vivo o muerto.

El descubrimiento podr¨ªa contribuir al desarrollo de paneles solares

En este estudio, los investigadores analizaron las mol¨¦culas encargadas de la recolecci¨®n de luz en un microorganismo conocido como la bacteria verde del azufre. Estas mol¨¦culas son importantes en el proceso de la fotos¨ªntesis ya que se encargan de absorber la energ¨ªa proveniente del sol para transformarla en energ¨ªa qu¨ªmica.

Estudios anteriores hab¨ªan sugerido que estas mol¨¦culas pueden excitarse en dos estados electr¨®nicos a la vez, mostrando efectos cu¨¢nticos. Sin embargo, en estos experimentos el estado excitado dur¨® m¨¢s de un 1 picosegundo (0,000 000 000 001 s). Esto es mucho m¨¢s largo de lo que se espera de la mec¨¢nica cu¨¢ntica.

Thomas la Cour Jansen, de la Universidad de Groningen, explica que la observaci¨®n anterior es incorrecta: "Hemos demostrado que los efectos cu¨¢nticos que registraron eran simplemente vibraciones habituales de las mol¨¦culas". Las vibraciones solo involucran una mol¨¦cula mientras que la superposici¨®n de estados implica al menos dos. El truco que encontraron Jansen y sus colaboradores para distinguir entre los dos casos es el uso de la polarizaci¨®n de la luz. Usando diferentes polarizaciones de la luz, se descartan las se?ales creadas por las mol¨¦culas individuales (las vibraciones), mientras que se pueden observar las dos mol¨¦culas involucradas en la superposici¨®n de estados.

Las vibraciones tienen una energ¨ªa muy baja y su efecto en la fotos¨ªntesis es pr¨¢cticamente nulo. En cambio, la superposici¨®n de estados est¨¢ directamente relacionada con la cantidad de energ¨ªa que la bacteria puede absorber. Adem¨¢s, estos estados electr¨®nicos transportan la energ¨ªa desde el lugar de la absorci¨®n de luz hasta el sitio d¨®nde se convierte en energ¨ªa qu¨ªmica. Despu¨¦s, la bacteria puede utilizar esta energ¨ªa qu¨ªmica para crecer o moverse.

En el sistema estudiado por Jansen y su equipo, estos efectos cu¨¢nticos solo duran 10^-15 segundos a temperaturas muy bajas (-196 grados cent¨ªgrados). A temperaturas m¨¢s altas, el impacto cu¨¢ntico dura mucho menos y no afectar¨ªa al transporte de energ¨ªa. Sin embargo, estos efectos podr¨ªan tener un papel crucial en otros sistemas, como por ejemplo en el clorosoma ¡ªun sistema de recolecci¨®n de luz bacteriana mucho m¨¢s grande que el estudiado¡ª o en sistemas artificiales. Jansen remarca que ahora que saben c¨®mo identificar estos efectos cu¨¢nticos usando la polarizaci¨®n de luz, pueden utilizar este m¨¦todo para el estudio de nuevos sistemas, esperando que un d¨ªa pueda aplicarse en paneles solares.

Elena Perdomo es investigadora en el proyecto europeo Elusives, que aborda el estudio de neutrinos, materia oscura y f¨ªsica m¨¢s all¨¢ del modelo est¨¢ndar (H2020-MSCA-ITN-2015//674896-Elusives).