La circolazione degli elettroni è essenziale nell’elettronica e anche per gli organismi viventi. Mentre nei computers usiamo semiconduttori composti principalmente di silicio, la natura ha trovato un modo più efficace: le proteine. Le strutture proteiche facilitano il trasferimento a lungo raggio degli elettroni. Gli scienziati hanno mostrato che le caratteristiche strutturali delle proteine possiedono elementi che facilitano la conduzione degli elettroni.
Questo fenomeno è largamente dovuto alla selettività chirale dello spin (CISS), che in particolare causa la riduzione della retro-dispersione elastica nel trasferimento di elettroni attraverso le molecole chirali. La trasmissione elettronica mostra infatti che strati ordinati di molecole chirali organiche agiscono come filtri per lo spin degli elettroni. L’effetto CISS fornisce importanti informazioni sui processi selettivi dello spin nella biologia e permette l’uso di molecole chirali nelle applicazioni in spintronica.
Questo effetto chirale è presente nelle molecole del DNA o nei processi di fotosintesi. Nel primo caso si osserva la selettività dello spin e questa potrebbe giocare un ruolo essenziale per codificare l’informazione a livello quantistico. Il coinvolgimento di elettroni nella trasmissione di informazione e l’effetto CISS nel polimero di DNA, è stato confermato da studi precedenti (ad es. DNA Acts Like a Wire to Conduct Electron Signals Between Proteins for Repair and Replication).
Nella fotosintesi, l’alta conduttività di elettroni è un componente chiave nei pigmenti biologici fotosintetici. La conduttività dell’apparato fotosintetico è dovuta alla sua struttura geometrica e atomica. La funzone principale dei complessi che catturano luce, è raccoglierne l’energia e trasferirla ai centri di reazione per i processi foto-indotti in cui è essenziale un elevato ed efficiente trasferimento elettronico.
Il sistema fotosintetico produce elettroni ad alta energia che dovrebbero reagire rapidamente con altri atomi nel complesso, tuttavia, a causa della particolare struttura e delle proprietà quantistiche delle biomolecole nel sistema vivente, gli elettroni vengono trasferiti con efficienza al 100% nel nucleo fotosintetico. Questo è risultato opposto a quanto atteso dai fisici, che vedono la cellula come ambiente disorganizzato e caotico, che dovrebbe essere totalmente inospitale al mantenimento di stati quantistici. Tuttavia, grazie alla speciale struttura delle biomolecole che permettono effetti come quello CISS, osserviamo il sistema cellulare trasmettere elettroni con efficienza solitamente mostrata solo nei superconduttori.
Grazie all’effetto CISS, il trasferimento di elettroni nelle molecole chirali è spin-dipendente. Il fenomeno è visibile specialmente nella trasmissione spin-selettiva di elettroni attraverso monostrati auto-assemblati di DNA a doppio-filamento. In questo caso la polarizzazione di spin è superiore a quello di qualsiasi altro filtro e si osservano fotoelettroni polarizzati generandoli da luce non polarizzata.
In un recente articolo, è stato proposto un modello numerico per comprendere l’effetto CISS. Xu Yang dell’Università di Groningen, ha presentato un modello di trasmissione di elettroni che valuta il ruolo dell’effetto CISS in esperimenti di trasporto elettronico a regime lineare bi-terminale e multiterminale. Il suo lavoro rivela che per l’effetto CISS, la trasmissione è accompagnata da un processo di spin-flip.
Prospettiva della Resonance Science Foundation:
L’effetto dello spin elettronico nella biologia molecolare illustra quanto la meccanica quantistica sia fondamentale per la vita. Esso mostra come la natura sfrutti l’informazione quantistica in modo simile ad un computer quantistico che memorizza e gestisce dati nei suoi processi centrali.
Dr.Olivier Alirol (RSF Research Scientist)
“Quando studiamo i sistemi fisici in natura, vediamo che esistono schemi fondamentali comuni in ogni scala osservabile.” -Nassim Haramein