Los sorprendentes efectos cuánticos en la fotosíntesis

Si pensaba que la física cuántica solo existía en la cabeza de los investigadores, estaba equivocado. Un estudio publicado en Nature Chemistry esta semana explica que las moléculas encargadas de realizar la fotosíntesis tienen un comportamiento cuántico similar al de la materia inerte. Entender este proceso es importante en el desarrollo y mejora del almacenamiento de la energía solar. En especial, ayudaría al progreso de las placas fotovoltaicas orgánicas, más baratas de fabricar pero actualmente ineficientes.

El mundo de lo pequeño no es intuitivo: la mecánica cuántica nos enseña que los electrones pueden estar en dos estados a la vez, hasta que se observan. Un ejemplo común es el experimento mental del gato de Schrödinger, en el que se mete un gato (análogo al electrón estudiado) en una caja con una botella de gas venenoso. Si el tapón de la botella está bloqueado con un sistema cuántico, puede estar simultáneamente abierto y cerrado, por lo que el gato es una mezcla de estados entre vivo y muerto. Una vez se abre la caja, se interactúa con el sistema y se encontrará que el gato está vivo o muerto.

El descubrimiento podría contribuir al desarrollo de paneles solares

En este estudio, los investigadores analizaron las moléculas encargadas de la recolección de luz en un microorganismo conocido como la bacteria verde del azufre. Estas moléculas son importantes en el proceso de la fotosíntesis ya que se encargan de absorber la energía proveniente del sol para transformarla en energía química.

Estudios anteriores habían sugerido que estas moléculas pueden excitarse en dos estados electrónicos a la vez, mostrando efectos cuánticos. Sin embargo, en estos experimentos el estado excitado duró más de un 1 picosegundo (0,000 000 000 001 s). Esto es mucho más largo de lo que se espera de la mecánica cuántica.

Thomas la Cour Jansen, de la Universidad de Groningen, explica que la observación anterior es incorrecta: "Hemos demostrado que los efectos cuánticos que registraron eran simplemente vibraciones habituales de las moléculas". Las vibraciones solo involucran una molécula mientras que la superposición 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 polarización de la luz. Usando diferentes polarizaciones de la luz, se descartan las señales creadas por las moléculas individuales (las vibraciones), mientras que se pueden observar las dos moléculas involucradas en la superposición de estados.

Las vibraciones tienen una energía muy baja y su efecto en la fotosíntesis es prácticamente nulo. En cambio, la superposición de estados está directamente relacionada con la cantidad de energía que la bacteria puede absorber. Además, estos estados electrónicos transportan la energía desde el lugar de la absorción de luz hasta el sitio dónde se convierte en energía química. Después, la bacteria puede utilizar esta energía química para crecer o moverse.

En el sistema estudiado por Jansen y su equipo, estos efectos cuánticos solo duran 10^-15 segundos a temperaturas muy bajas (-196 grados centígrados). A temperaturas más altas, el impacto cuántico dura mucho menos y no afectaría al transporte de energía. Sin embargo, estos efectos podrían tener un papel crucial en otros sistemas, como por ejemplo en el clorosoma —un sistema de recolección de luz bacteriana mucho más grande que el estudiado— o en sistemas artificiales. Jansen remarca que ahora que saben cómo identificar estos efectos cuánticos usando la polarización de luz, pueden utilizar este método para el estudio de nuevos sistemas, esperando que un día pueda aplicarse en paneles solares.

Elena Perdomo es investigadora en el proyecto europeo Elusives, que aborda el estudio de neutrinos, materia oscura y física más allá del modelo estándar (H2020-MSCA-ITN-2015//674896-Elusives).