Quantum metrology in biochemical magnetometers
Authors: Βιτάλης Κυριάκος 
Published: September 2021

Τα Ζεύγη Ιοντικών Ριζών (Radical-Ion Pairs) και οι βιοχημικές τους αντιδράσεις αποτελούν έναυσμα για τη μελέτη κβαντικών φαινομένων στα βιολογικά συστήματα. Αυτό οφείλεται στο ότι παρουσιάζουν μια σειρά φαινομένων που ανήκουν, και μπορούν να γίνουν κατανοητά, στο πεδίο της επιστήμης της κβαντικής πληροφορίας και ταυτόχρονα είναι κεντρικής σημασίας για την κατανόηση του μηχανισμού της βιοχημικής πυξίδας των αποδημητικών πτηνών, καθώς και της δυναμικής της μεταφοράς του σπιν στα ενεργά κέντρα της φωτοσύνθεσης (photosynthetic reaction centers). Πρόσφατα, έχει δειχθεί ότι οι βαθμοί ελευθερίας του σπιν αυτών των βιοχημικών συστημάτων αποτελούν ανοικτά κβαντικά συστήματα. Στην παρούσα διατριβή, δείχνουμε ότι η σύζευξη του σπιν του Ζεύγους Ιοντικών Ριζών με τις διεγερμένες δονητικές καταστάσεις του ηλεκτρικά ουδέτερου μορίου από το οποίο προέρχεται, δημιουργεί μια μετατόπιση Lamb (Lamb shift) στα μαγνητικά (singlet και triplet) ενεργειακά επίπεδα του Ζεύγους Ιοντικών Ριζών. Με άλλα λόγια, η αλληλεπίδραση του σπιν του Ζεύγους Ιοντικών Ριζών με το περιβάλλον μετατοπίζει τις singlet και triplet ενεργειακές του στάθμες σε σχέση με τις αντίστοιχες ενεργειακές στάθμες ενός κλειστού και μη-φυσικού Ζεύγους Ιοντικών Ριζών, το οποίο είναι απομονωμένο από το περιβάλλον του. Επιπλέον, για το λόγο ότι οι μετατοπίσεις Lamb των singlet και triplet ενεργεικών σταθμών είναι εν γένει διαφορετικές, δημιουργείται ένα singlet-triplet ενεργειακό χάσμα, το οποίο είναι φυσικά ισοδύναμο με το αντίστοιχο singlet-triplet ενεργειακό χάσμα που προκαλεί μια αλληλεπίδραση ανταλλαγής σπιν (spin-exchange). Αυτό το αποτέλεσμα θα μπορούσε να είναι σημαντικό για την κατανόηση της ενεργειακής δομής και της δυναμικής των ενεργών κέντρων της φωτοσύνθεσης, τα οποία είναι άμεσα συνυφασμένα με την εξαιρετικά υψηλή ενεργειακή απόδοση της φωτοσύνθεσης [Eur. Phys. J. Plus 129, 187 (2014)]. Επιπλέον, σε αυτή τη διατριβή μελετώνται οι βιοχημικές αντιδράσεις του Ζεύγους Ιοντικών Ριζών από τη σκοπιά της Κβαντικής Μετρολογίας και Εκτίμησης Παραμέτρου. Η σύμφωνη κβαντομηχανική ταλάντωση του oλικού ηλεκτρονικού σπιν αυτών των βιομοριακών ιόντων επηρεάζεται από την ένταση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και κατ' αυτόν τον τρόπο τα προϊόντα των αντιδράσεών τους μπορούν ουσιαστικά να υλοποιήσουν ένα βιοχημικό μαγνητόμετρο. Χρησιμοποιώντας την κβαντική πληροφορία Fisher, βρίσκουμε το απόλυτο κβαντικό όριο στην ευαισθησία των βιοχημικών αυτών μαγνητομέτρων. Ακολούθως, μελετούμε κατά πόσο η συνήθης μαγνητομετρία με τα προϊόντα των αντιδράσεων του Ζεύγους Ιοντικών Ριζών εξασφαλίζει αυτή βέλτιστη δυνατή μαγνητική ευαισθησία και βρίσκουμε ότι είναι χειρότερη σχεδόν κατά μία τάξη μεγέθους. Εν τέλει, δείχνουμε ότι εκτελώντας κάποιο φυσικά και χημικά ρεαλιστικό κβαντικό έλεγχο στις αντιδράσεις τους, παρόμοιο με μια συμβολομετρία Ramsey, μπορούμε να εξασφαλίσουμε ένα βιοχημικό μαγνητόμετρο του οποίου η ευαισθησία είναι σχεδόν δύο φορές μικρότερη από τη βέλτιστη δυνατή. Ο κβαντικός αυτός έλεγχος παρουσιάζεται ως ένα κβαντικό κύκλωμα που περιέχει την αλληλεπίδραση ανταλλαγής σπιν, καθώς κι έναν πρόσφατα προτεινόμενο μοριακό διακόπτη. Τοιουτοτρόπως, αυτό το αποτέλεσμα εγκαθιδρύει την εφαρμογή αναπτυγμένων μεθόδων Κβαντικής Μετρολογίας σε βιολογικά συστήματα [Phys. Rev. A 95, 032129 (2017)].