[論文レビュー] Matter-wave physics with nanoparticles and biomolecules

Christian Brand, Sandra Eibenberger+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2017

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、大規模な有機分子およびバイオ分子を用いた物質波干渉計測における実験的・理論的進展を提示し、10,000 amuに達する複雑な系における量子干渉を実証した。レーザー脱着および電気噴霧イオン化を用いた技術により、遅い、ビーム選別された中性バイオ分子ビームを生成し、近接場干渉計を用いたペプチドおよびタンパク質の量子光学を可能にした。これにより、高精度なメタロメトリーが実現され、生物学的に関連する物質における量子非局在化の探査が可能になった。

ABSTRACT

These lecture notes emerged from a contribution to the "Les Houches Summer School, Session CVII - Current Trends in Atomic Physics, July 2016". It is meant to serve students as a guide to a selection of topics that are currently at the focus of molecular quantum optics and complements an earlier lecture on related topics [Arndt et al., 2014]. In this review we discuss recent advances in molecular quantum optics with large organic molecules. In particular, we present successful experiments of molecules of biological importance, such as neurotransmitters and map out the route towards interferometry of large bio-matter such as proteins. The interaction of internally complex molecules with various beam splitters is discussed for both far-field diffraction at a single nanomechanical grating and the Kapitza-Dirac Talbot-Lau near-field interferometer - addressing recent progress, experimental challenges, and prospects for quantum enhanced metrology of highly complex systems in the gas phase. A central part of this review deals with the preparation of slow beams of neutral biomolecules, ranging from a single amino acid to proteins or peptides in a micro-environment.

研究の動機と目的

• ペプチドおよびタンパク質のような非常に複雑で生物学的に関連する分子への物質波干渉実験の拡張。
• 10^3–10^6 amuの質量範囲における中性バイオ分子ビームを、遅くかつ質量選別された状態で準備する課題への対処。
• 特にカピツァ＝デイリック＝タロット＝ロウ干渉計を用いて、大型分子における量子重ね合わせの探査。
• 物質波干渉を用いたバイオ分子構造および動的特性の量子増強メタロメトリーの実現。
• 巨視的で熱的に励起され、内部的に複雑な系における量子コherenceの限界の探求。

提案手法

• 大型ペプチドの熱的ビームを生成するために、レーザー誘発音響脱着および希ガスビームへのレーザー注入を用いる。
• 電気噴霧イオン化（ESI）を用いて高電荷バイオ分子を生成し、二重極性空気中での衝突による電荷低減と四重極フィルターを用いた質量選別を実施する。
• ヘキサポールガイド内での冷却バッファガス冷却を用いて、質量選別された分子の内部および移動温度を低減する。
• 近接場干渉計の設定において、光的脱却グレーティングを用いて大型分子の物質波を共鳴的に分裂・再結合させる。
• 光学的位相グレーティングを備えたカピツァ＝デイリック＝タロット＝ロウ干渉計（KDTLI）を用いて、高コントラストの干渉縞を達成する。
• 時間飛行質量分析法による実験的検証と併せて、デコherenceおよび量子ダイナミクスの理論的モデリングを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10,000 amuに達するほど巨大で複雑なタンパク質のような分子において、量子重ね合わせおよび干渉が観測可能か？
• RQ2 熱的に励起され、内部的に複雑なバイオ分子における物質波干渉に影響を与える主なデコherence機構は何か？
• RQ3 量子干渉計測に適した十分な強度、速度制御および質量選別が可能な中性バイオ分子ビームは、どのように生成可能か？
• RQ4 量子干渉は、バイオ分子メタロメトリーの精度をどの程度向上可能か？
• RQ5 ウイルスや水和バイオ分子のような系において、物質波干渉計測を用いて量子効果を観測する可能性は何か？

主な発見

• 10,000 amuを超える大型有機分子に対して、実験的に干渉縞が観測され、巨視的で複雑な系における量子非局在化が実証された。
• 電気噴霧イオン化により、高電荷バイオ分子（例：17,000 amuのミオグロビン）の生成が可能となり、これに続く冷却および質量選別が干渉計測に適した状態で実現された。
• 二重極性空気中での衝突による電荷低減技術により、ビーム輸送および干渉計測に適した電荷対質量比（例：1,000–2,000 amu/e）にまで低減された。
• カピツァ＝デイリック＝タロット＝ロウ干渉計は、大型分子に対して高コントラストの干渉縞を達成し、共鳴的な物質波分裂および再結合の確認ができた。
• 光的脱却グレーティングは、近接場干渉計における共鳴的ビームスプリッターの生成に有望な方法として開発されたが、現在も活発に研究中である。
• 理論的モデルは、内部自由度および環境との相互作用が、巨視的重ね合わせを実現する上で主要なデコherence要因であることを確認した。