Investigación a Escala de Attosegundos Aclara la Dinámica del Tunelamiento Cuántico Dependiente del Espín a Través de Moléculas Quirales

Los experimentos realizados directamente sobre la dinámica de ionización por efecto de tunelamiento han descubierto que los electrones se comportan de forma diferente al realizar un tunelamiento cuántico desde una molécula en función de la quiralidad de ésta (la quiralidad se refiere a la "lateralidad" de los estereoisómeros no superponibles de una molécula, del mismo modo que una mano izquierda no puede superponerse a una mano derecha, aunque sean imágenes especulares la una de la otra). La proyección del espín del electrón sobre su dirección del momentum, denominada acoplamiento espín-órbita, afecta en gran medida a la probabilidad de tunelización entre moléculas quirales del sistema biológico. Este fenómeno de conducción de electrones potenciada por la orientación del espín de un electrón se conoce como selectividad de espín inducida quiral (CISS). Estudios anteriores habían demostrado que la geometría helicoidal de muchas biomoléculas, como el ADN y las hélices alfa de las proteínas, induce un sólido filtrado de espín que está íntimamente relacionado con una transmisión fuertemente potenciada. Ahora, nuevas investigaciones sobre la dinámica de la tunelización de electrones a escala de attosegundos han descubierto que la probabilidad de que un electrón experimente una tunelización, la fase en la que el paquete de ondas de electrones se tuneliza y el momento en que se produce dependen de la quiralidad de la molécula. Estos interesantes resultados sientan las bases de otros estudios que utilizarán las propiedades de simetría únicas de las moléculas quirales para investigar los procesos más rápidos que tienen lugar en la interacción luz-materia y podrían explicar el origen y la razón de la "lateralidad" o quiralidad específica que caracteriza al sistema biológico.

Por: William Brown, Científico de Resonance Science Foundation

Quiralidad por todas partes

Químicos y biólogos moleculares utilizan la expresión "lateralidad" para describir moléculas que se caracterizan por un tipo concreto de asimetría: ser "zurdas" o "diestras". Como indican estos descriptores, las manos son un gran ejemplo de la propiedad de quiralidad. Si miras tus dos manos, con las palmas hacia arriba, verás que son imágenes especulares la una de la otra. Pero si intenta superponer una sobre la otra, manteniéndolas en la orientación de las palmas hacia arriba y colocando una sobre la otra, verá que no se superponen ni coinciden completamente. Esto es quiralidad, sus manos son como enantiómeros estereoisómeros entre sí -imágenes especulares entre sí que no son superponibles- y tales objetos, que contienen "handedness - lateralidad", se pueden encontrar en todas las escalas de la naturaleza, desde las galaxias hasta las moléculas.

La "lateralidad" en el universo desempeña un papel en todo, desde las violaciones de la paridad de la fuerza débil -las partículas subatómicas que intervienen en la fuerza nuclear débil, causante de la desintegración nuclear, están siempre orientadas magnéticamente en la dirección opuesta a la que se mueven, de modo que giran en espiral como las roscas de un tornillo zurdo, mientras que las partículas espejo, las que son como tornillos diestros, no sienten la fuerza débil- y estudios recientes han encontrado incluso una asimetría entre galaxias "zurdas" y "diestras. Se cree incluso que estas asimetrías, o violaciones de paridad entre configuraciones especulares, subyacen a la aparente diferencia de abundancia entre la materia y la antimateria. La quiralidad se da en la naturaleza en todas las escalas, y se está descubriendo que la lateralidad puede afectar al comportamiento de estas configuraciones especulares de los sistemas.  

A un nivel más cotidiano, experimentamos la quiralidad todos los días, no sólo cuando cogemos un objeto o nos ponemos los zapatos (debido a nuestra quiralidad anatómica), sino también cuando comemos o respiramos, ya que nuestros receptores gustativos y olfativos reaccionarán de forma diferente ante dos imágenes especulares de una molécula quiral. Y no se trata sólo del gusto, el olfato o la conducción nerviosa: muchas moléculas que entran en nuestro organismo se comportan de forma diferente según su quiralidad. Por ejemplo, donde normalmente los aminoácidos L y los ácidos nucleicos D forman los polipéptidos y el ADN, los aminoácidos diestros y los ácidos nucleicos zurdos funcionarán como moléculas de señalización, pero no serán reconocidos en absoluto para las proteínas o el código del ADN. La importancia de la lateralidad es tal que una molécula con una orientación puede ser una cura, mientras que su estereoisómero en el espejo es un veneno. La quiralidad es, por tanto, crucial en farmacología, donde el 90 por ciento de los fármacos sintetizados son compuestos quirales. Y como veremos aquí, las moléculas quirales tienen propiedades de simetría que las convierten en candidatas de primer orden para la investigación de fenómenos fundamentales de la física.

Imagen: Quiralidad en las biomoléculas: Una molécula y su enantiómero o uno de sus diastereómeros provocan respuestas fisiológicas diferentes. Como hemos visto, el (S)- ibuprofeno es activo como analgésico y antifebril, mientras que su enantiómero R es inactivo. El enantiómero S del naproxeno es el analgésico activo, pero su enantiómero R es una toxina hepática.

Espín y conducción de electrones en el sistema biológico

La funcionalidad de muchos sistemas biológicos depende de una transferencia fiable de electrones con un calentamiento mínimo: si el sólido transporte coherente de electrones que se produce entre las biomoléculas generara calor, provocaría rápidamente la muerte celular, ya que los cambios de temperatura de unos pocos grados causan desnaturalización -una deformación estructural irreversible de las proteínas-. De este modo, el sistema biológico transporta electrones con una eficacia cercana al 100%, sin pérdida de energía por disipación de calor. ¿Cómo se consigue esto en el sistema biológico, donde muchas biomoléculas son aislantes y donde existen fuerzas disipadoras convencionales como las fuertes vibraciones moleculares? A diferencia de los circuitos eléctricos fabricados por el hombre, la naturaleza realiza el transporte de electrones a través del tunelamiento cuántico entre moléculas quirales aislantes, y los estudios han empezado a revelar muchos mecanismos implicados en la selectividad de espín inducida por quirales.

Por ejemplo, un estudio ha descubierto que el CISS aumenta en las numerosas moléculas helicoidales que se encuentran en todo el sistema biológico, como el ADN y las hélices alfa de las proteínas [1]. Los experimentos han revelado que el transporte a través de estas moléculas helicoidales depende en gran medida del espín del electrón. Los intentos teóricos de explicar este efecto se basan en un gran acoplamiento espín-órbita, poco frecuente en los materiales orgánicos. Se ha demostrado que la geometría helicoidal de muchas biomoléculas induce correlaciones entre el espín de los electrones transferidos y su dirección de flujo. En el régimen de tunelización, estas conexiones pueden explicar la gran polarización de espín medida en experimentos en un rango de energía de cientos de meV, así como la transmisión mejorada a través de moléculas quirales. La direccionalidad generada por el bloqueo del espín y el momento del electrón puede ser la clave para entender la bajísima disipación de la transferencia eléctrica a través de moléculas orgánicas a pesar de las fuertes vibraciones moleculares.

Además de responder a algunas de las preguntas más intrigantes de la biología, como el origen y la razón de la "lateralidad" específica -en la que se utilizan principalmente aminoácidos zurdos y ácidos nucleicos diestros-, esto tiene importantes implicaciones para la aplicación tecnológica, como la computación espintrónica y las nanotecnologías. Uno de los principales retos en el desarrollo de dispositivos electrónicos a nanoescala es minimizar el calentamiento. En los chips de silicio, la disipación es el principal obstáculo para seguir el ritmo de la ley de Moore. Es evidente que la ingeniería inversa de la capacidad del sistema biológico para hacer esto puede tener la clave, ya que hemos visto que el transporte de electrones a través del tunelamiento cuántico, que se está explorando actualmente como una ruta para reducir el calentamiento en los dispositivos semiconductores, se ha implementado desde hace mucho tiempo en la naturaleza.

Curiosamente, mientras que el sistema vivo lleva miles de millones de años aprovechando el espín de los electrones para una conducción robusta y casi 100% eficaz a través de biomoléculas quirales aislantes, los físicos del paradigma convencional del Modelo Estándar siguen debatiendo si los electrones realmente giran.  Un físico convencional le dirá que aunque los electrones tienen una propiedad llamada "espín", físicamente estos no giran”. Sin embargo, si esto fuera así, no habría experimentos que demostraran la importancia del acoplamiento espín-órbita, la quiralidad molecular y la helicidad en la conducción de electrones dentro de las biomoléculas. De hecho, consideraciones como éstas han llevado a los físicos a plantear que los electrones deben girar físicamente. Chris Sebens, profesor adjunto de filosofía en Caltech, ha resuelto muchas de las cuestiones relacionadas con el espín de los electrones al plantear que son más parecidos a campos que a partículas [2], la misma solución que el físico Nassim Haramein ha dilucidado como solución a la masa del electrón [3].

Chris Sebens ha utilizado sus soluciones para resolver muchos de los problemas de modelar el electrón como una partícula puntual (sin espín), como los problemas de la relación giromagnética, la autorrepulsión y la carga desnuda infinita [4]. Y mientras se resuelven cuestiones fundamentales sobre la naturaleza del electrón, se están caracterizando otros comportamientos muy destacados, como la influencia del espín del electrón y la quiralidad molecular en la dinámica de tunelización. Para comprender mejor la interacción y el acoplamiento del espín del electrón con campos polarizados y moléculas quirales -importante para entender la conducción balística del electrón CISS en el sistema biológico-, un estudio reciente ha investigado la relación de la orientación del espín de un electrón y la "lateralidad" de las moléculas quirales para determinar si se altera el comportamiento de tunelamiento cuántico.

Estudio de la dinámica del tunelamiento cuántico en el régimen de los attosegundos

Utilizando una resolución a escala de attosegundos de la dinámica de tunelización, los equipos de investigación dirigidos por el profesor Yann Mairesse, del CNRS / Universidad de Burdeos, y el profesor Nirit Dudovich, del Departamento de Física de Sistemas Complejos del Instituto Weizmann, han descubierto que los electrones se comportan de forma diferente cuando atraviesan moléculas quirales o campos de luz polarizada, y que las interacciones luz-materia quirales inducen, de hecho, una sutil conformación dependiente del ángulo tanto de la amplitud como de la fase de los paquetes de ondas de los electrones tunelizados [5].

El tunelamiento es un fenómeno en el que las partículas cuánticas atraviesan barreras físicas o energéticas aparentemente imposibles de cruzar. Dado que este movimiento está prohibido en la mecánica clásica, es muy difícil establecer una imagen intuitiva de su dinámica (véanse nuestros artículos originales de RSF sobre ER=EPR , para comprender lo que ocurre físicamente durante el tunelamiento cuántico).  Para crear un túnel en las moléculas quirales, los investigadores las expusieron a un intenso campo láser. Uno de los investigadores principales explicó que "los electrones de las moléculas están ligados de forma natural alrededor de los núcleos por una barrera de energía", y "se puede imaginar a los electrones como aire atrapado dentro de un globo inflable". Los potentes campos láser tienen la capacidad de reducir el grosor del globo lo suficiente como para que parte del aire haga un túnel a través de él, aunque no haya ningún agujero en el globo".

Mairesse, Dudovich y sus equipos se propusieron estudiar la conexión entre quiralidad y tunelización, un aspecto aún inexplorado del proceso de tunelización. El equipo investigó el modo en que el breve encuentro entre una molécula quiral y un campo de luz quiral afecta a la tunelización de electrones. Dado que un electrón sólo tarda unos cientos de attosegundos en escapar de un átomo o molécula, el equipo utilizó una "técnica de attoclock" ultraprecisa que emplea mediciones de campo láser para caracterizar el comportamiento del tunelamiento.

Como describen los investigadores, siguiendo con la metáfora del globo, si el campo láser gira horizontalmente, cabría esperar que el aire saliera del globo por el plano horizontal, siguiendo la dirección del campo láser. Lo que el equipo descubrió es que si el globo es quiral, el aire sale del globo volando hacia el suelo o el techo, dependiendo del sentido de rotación del láser. En otras palabras, los electrones salen del túnel quiral con memoria del sentido de rotación de la barrera.

Esto es muy parecido al efecto de un sacacorchos, pero a escala nanométrica y de attosegundos, otra demostración de la importancia de la helicidad en las biomoléculas y sus propiedades asociadas de conducción de electrones y acoplamiento espín-órbita. Los equipos de investigadores han descubierto, por tanto, que la probabilidad de que un paquete de ondas de electrones experimente un efecto túnel depende de la quiralidad de la molécula, lo que sugiere que la fuerte presencia de quiralidad en el sistema biológico es una respuesta adaptativa para facilitar y potenciar el efecto de tunelamiento de los electrones para la conducción balística de electrones con escasa o nula disipación de energía y generación excesiva de calor.

Referencias

[1] Karen Michaeli and Ron Naaman, Origin of Spin-Dependent Tunneling Through Chiral Molecules, The Journal of Physical Chemistry C 2019 123 (27), 17043-17048. DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b05020

[2] Charles T. Sebens, The fundamentality of fields, Synthese (2022). DOI: 10.1007/s11229-022-03844-2

[3] Val baker, A.K.F, Haramein, N. and Alirol, O. (2019). The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol 32, Pages 255-262.

[4] Charles T. Sebens, Eliminating Electron Self-Repulsion, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2206.09472

[5] E. Bloch et al, Revealing the Influence of Molecular Chirality on Tunnel-Ionization Dynamics, Physical Review X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041056