[论文解读] 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 4

一句话总结

本文在大有机分子和生物分子的物质波干涉测量方面实现了实验与理论的双重进展，展示了高达10,000 amu的复杂系统中的量子干涉。研究详细阐述了利用激光解吸和电喷雾电离技术生成慢速、按质量分选的中性生物分子束的方法，实现了在近场干涉仪中对肽和蛋白质的量子光学研究，实现了高精度计量，并探测了生物相关物质中的量子非定域性。

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.

研究动机与目标

• 将物质波干涉实验扩展至高度复杂、具有生物学相关性的分子，如肽和蛋白质。
• 解决在10^3–10^6 amu质量范围内制备慢速、质量选择性中性生物分子束的挑战。
• 开发并应用近场干涉仪，特别是Kapitza-Dirac-Talbot-Lau干涉仪，以探测大分子中的量子叠加。
• 利用物质波干涉实现生物分子结构与动力学的量子增强型计量。
• 探索在宏观、热激发、内部结构复杂的系统中量子相干性的极限。

提出的方法

• 利用激光诱导声致解吸和激光注入惰性气体束，生成大肽的热束。
• 采用电喷雾电离（ESI）产生高度带电的生物分子，随后通过在双极空气中碰撞实现电荷降低，并在四极杆滤波器中进行质量选择。
• 在六极杆导引中采用低温缓冲气体制冷，以降低质量选择后分子的内部和整体温度。
• 在近场干涉仪装置中应用光致消光光栅，对大分子的物质波进行相干分束与再结合。
• 采用具有光学相位光栅的Kapitza-Dirac-Talbot-Lau干涉仪（KDTLI），实现高对比度的干涉条纹。
• 将退相干与量子动力学的理论建模与飞行时间质谱法的实验验证相结合。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在如蛋白质般大而复杂的分子（高达10,000 amu）中观测到量子叠加与干涉？
• RQ2 影响热激发、内部结构复杂的生物分子物质波干涉的主要退相干机制是什么？
• RQ3 如何生成具有足够强度、速度控制和质量选择性的中性大生物分子束，以适用于量子干涉测量？
• RQ4 量子干涉在多大程度上可提升生物分子计量的精度？
• RQ5 利用物质波干涉测量，观察病毒或水合生物分子等系统中量子效应的前景如何？

主要发现

• 已实验观测到超过10,000 amu的大有机分子的干涉条纹，证明了在大质量、复杂系统中的量子非定域性。
• 电喷雾电离技术可实现高度带电生物分子（如17,000 amu的肌红蛋白）的制备，随后经冷却与质量选择后用于干涉测量。
• 通过在双极空气中碰撞实现的电荷降低技术，将质荷比降至适合束流传输与干涉测量的范围（如1,000–2,000 amu/e）。
• Kapitza-Dirac-Talbot-Lau干涉仪实现了大分子的高对比度干涉条纹，证实了物质波的相干分束与再结合。
• 光致消光光栅已被开发为近场干涉测量中生成相干分束器的有前景方法，尽管目前仍在积极研究中。
• 理论模型证实，内部自由度与环境相互作用是主要的退相干来源，必须尽可能减小以实现宏观叠加。