Et naturligt biomolekyle er blevet målt, der fungerer som en kvantebølge for første gang

Et af kvantemekanikkens store kontraintuitive gåder er bølge-partikel-dualitet. Dette er det fænomen, hvor objekter både opfører sig som partikler og som bølger.

Adskillige eksperimenter har vist, at en enkelt partikel - for eksempel en elektron eller en foton - kan interferere med sig selv, som en bølge. Dobbeltspalte-eksperimentet, hvor en partikel passerer gennem to spalter på samme tid, er en berømt demonstration.

Og fordi alle objekter grundlæggende er kvante i naturen, har de alle en tilhørende bølgelængde. Så i princippet bør makroskopiske objekter også vise denne form for bølge-partikel dualitet, givet et følsomt nok eksperiment.

Fysikere har endnu ikke udtænkt en måde at måle den bølgelignende natur af meget store objekter, men deres ambitioner i denne henseende har været støt stigende. I 1999 demonstrerede de bølge-partikel-dualiteten af ​​fulleren-molekyler. Og andre grupper har siden gjort det samme med endnu større molekyler.

Og det rejser det interessante spørgsmål om, hvor store de kan blive. Kunne de for eksempel måle kvanteegenskaberne for selve livets molekyler?

I dag får de svar takket være Armin Shayeghis arbejde ved universitetet i Wien og nogle få kolleger, som for første gang har demonstreret kvanteinterferens i molekyler af gramicidin, et naturligt antibiotikum, der består af 15 aminosyrer. Deres arbejde baner vejen for studiet af biomolekylers kvanteegenskaber og sætter scenen for eksperimenter, der udnytter kvantenaturen af ​​enzymer, DNA og måske en dag simple livsformer såsom vira.

Shayeghi og cos eksperiment er i princippet enkelt. Deres tilgang er at skabe en stråle af ultrakolde gramicidinmolekyler og derefter måle det interferensmønster, der skabes, når denne stråle interfererer med sig selv. Dette interferensmønster er så et klart bevis på molekylernes bølgelignende natur.

Det er lettere sagt end gjort. Det første problem er at skabe strålen af ​​individuelle biomolekyler, som er særligt skrøbelige og nemme at skille ad.

Shayeghi og co gør dette ved at belægge kanten af ​​et spindehjul med et tyndt lag gramicidin. Holdet affyrer derefter en række korte laserimpulser mod rattet for at slå gramicidin-molekylerne væk fra overfladen. Laserimpulserne skal være korte nok - blot et par femtosekunder i længden - til at sparke biomolekylerne uden at beskadige dem.

De fritsvævende gramicidinmolekyler fejes derefter op i en stråle af argonatomer, der bevæger sig med 600 meter i sekundet. I denne stråle har gramicidin en bølgelængde på 350 femtometer (1 femtometer er 1x10-15 meter).

Det sidste trin er at måle mønsteret skabt af bølgen, der interfererer med sig selv.

Dette er måske det sværeste. Bølgelængden af ​​strålen er omkring en tusindedel af biomolekylerne selv (målt ved, hvor tæt de kan pakkes sammen). Så holdet kræver en teknik, der kan måle mønstre på den skala.

Det er her interferometri kommer ind. Holdet bruger en ekstraordinært følsom teknik kendt som Talbot-Lau interferometri til at måle størrelsen af ​​interferensmønsteret.

Og resultaterne er overbevisende. Den molekylære sammenhæng er delokaliseret over mere end 20 gange den molekylære størrelse, siger Shayeghi og co. Denne form for udtværing af biomolekylerne ville være umulig, hvis gramicidinmolekylerne var rene partikler. Det er kun muligt med bølgelignende interferens.

Andre forskere har målt bølge-partikel-dualitet for større molekyler. Men de har brugt teknikker, der ville rive livets sarte molekyler fra hinanden. Den nye teknik vil muliggøre mere detaljeret undersøgelse af biomolekylers kvanteegenskaber.

Den vellykkede realisering af kvanteoptik med dette polypeptid som et prototypisk biomolekyle baner vejen for kvanteassisteret molekylemetrologi og især den optiske spektroskopi af en stor klasse af biologisk relevante molekyler, siger forskerne.

Det er interessant forskning med betydeligt potentiale til at hjælpe med at skille de fabelagtigt komplekse processer, der arbejder i livets maskineri, ad.

Ref: arxiv.org/abs/1910.14538 : Matter-Wave-interferens af et naturligt polypeptid

skjule