Orientadores: Marcos Cesar de Oliveira, Silvio Antonio Sachetto Vitiello

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin

Resumo: O campo magnético da Terra é essencial na orientação de pássaros migratórios. A explicação mais promissora para esta orientação utiliza o mecanismo de pares ra-dicais (PR) criados em uma reação foto-estimulada, a qual é conjecturada ocorrer em fotorreceptores criptocromo. Esta última...

Resumo: O campo magnético da Terra é essencial na orientação de pássaros migratórios. A explicação mais promissora para esta orientação utiliza o mecanismo de pares ra-dicais (PR) criados em uma reação foto-estimulada, a qual é conjecturada ocorrer em fotorreceptores criptocromo. Esta última conjectura foi particularmente reforçada recentemente pela evidência de sensibilidade magnética do criptocromo humano. Os radicais devem ter uma anisotropia intrínseca, a fim de definir um quadro de referência para esse tipo de bússola. Esta anisotropia, quando introduzida através de interação hiperfinas, impõe imobilidade ao RP formado dentro do olho do pássaro, e implica na preservação do emaranhamento entre os elétrons desemparelhados do PR por tempos longos (de centenas de microssegundos). Consequentemente, os tempos de coerência são também longos, mesmo que o papel do emaranhamento na reação permaneça desconhecido. Mostra-se que esse tipo de anisotropia devido às interações hiperfinas não é necessário para o funcionamento da bússola. Pares radicais isotrópicos, isto é, moléculas que executam um movimento de rotação ou de difusão capaz de remover qualquer anisotropia no Hamiltoniano quando submetidos a um processo de decoerência rápida, são capazes de fornecer a anisotropia necessária para que a bússola funcione. O ambiente no qual o PR está imerso _e responsável pelo referencial da bússola, relaxando a hipótese de imobilidade. Isto expande significativamente a gama de aplicabilidade do mecanismo de PR fornecendo mais elementos para pesquisa experimental, quanto as moléculas candidatas não devem estar fixas na retina. Utilizando esta fonte externa de anisotropia, mostramos que o emara-nhamento não é necessário para o bom funcionamento da bússola dado que estados separáveis podem formar produtos anisotrópicos sob as condições apropriadas. Condições iniciais classicamente correlacionadas para o PR, ou em outras palavras, estados iniciais sem correlação quântica, podem fornecer uma outra fonte da anisotropia necessária para o bom funcionamento da bússola; dado que o estado inicial não _e um estado singleto (ou tripleto) perfeito entre os spins eletrônicos e portanto não _e um estado maximamente emaranhado, esta nova fonte de direção preferencial na criação dos produtos químicos ganha relevância

Abstract: Earth's magnetic field is essential for orientation of migratory birds. The most promising explanation for this orientation employs the photo-stimulated radical pair (RP) mechanism, conjectured to occur in cryptochrome photoreceptors. This last conjecture has been particularly reinforced...

Abstract: Earth's magnetic field is essential for orientation of migratory birds. The most promising explanation for this orientation employs the photo-stimulated radical pair (RP) mechanism, conjectured to occur in cryptochrome photoreceptors. This last conjecture has been particularly reinforced recently by the evidence of magnetosensivity of human cryptochrome. The radicals must have an intrinsic anisotropy in order to define a reference frame for this kind of compass. This anisotropy, when introduced through hyperfine interactions, imposes immobility of the RP formed within the eye of the bird, and implies that entanglement between the unpaired electrons of the RP is preserved over long times of hundreds of microseconds; therefore the coherence times are longer, even if the role of entanglement in the reaction remains unknown. We show that this kind of anisotropy due to hyperfine interactions is not necessary for the proper functioning of the compass. Isotropic radical pairs, i.e., molecules performing diffusional or rotational motion able to average away any anisotropy in the hamiltonian, when subjected to a fast decoherence process, are able to provide the anisotropy required for the compass to work. The environment in which the RP is immersed is then responsible for the reference frame of the compass, relaxing the immobility assumption. This significantly expands the range of applicability of the RP mechanism providing more elements for experimental search, as the candidate molecules must not be fixed within the retina. Using this external source of anisotropy, we show that entanglement is not necessary for the proper working of the compass, given that separable states can form anisotropic yields under proper conditions. Classically correlated initial conditions for the RP, or in other words, initial states without quantum correlations, can provide another source of the required anisotropy for the proper working of the compass; given that the initial state is not a perfect singlet (or triplet) state between the electronic spins and therefore is not a maximally entangled state, this new source of preferred direction in the creation of the chemical products gains relevance