Po raz pierwszy zmierzono naturalną biocząsteczkę, która zachowuje się jak fala kwantowa

Jedną z wielkich sprzecznych z intuicją zagadek mechaniki kwantowej jest dualizm falowo-cząsteczkowy. Jest to zjawisko, w którym obiekty zachowują się zarówno jak cząstki, jak i fale.

Liczne eksperymenty wykazały, że pojedyncza cząstka – na przykład elektron lub foton – może interferować ze sobą, jak fala. Eksperyment z podwójną szczeliną, w którym cząstka przechodzi przez dwie szczeliny jednocześnie, jest znanym pokazem.

A ponieważ wszystkie obiekty mają zasadniczo charakter kwantowy, wszystkie mają powiązaną długość fali. Zatem w zasadzie obiekty makroskopowe powinny również wykazywać ten rodzaj dualizmu falowo-cząsteczkowego, biorąc pod uwagę wystarczająco czuły eksperyment.

Fizycy nie wymyślili jeszcze sposobu na zmierzenie falowej natury bardzo dużych obiektów, ale ich ambicje w tym zakresie stale rosną. W 1999 roku zademonstrowali dualizm cząstek falowo-cząsteczkowych cząsteczek fulerenów. Od tego czasu inne grupy zrobiły to samo z jeszcze większymi cząsteczkami.

I to rodzi interesujące pytanie, jak duże mogą być. Czy mogliby na przykład zmierzyć właściwości kwantowe cząsteczek samego życia?

Dziś odpowiedź uzyskują dzięki pracy Armina Shayeghiego z Uniwersytetu Wiedeńskiego i kilku współpracownikom, którzy po raz pierwszy wykazali interferencję kwantową w cząsteczkach gramicydyny, naturalnego antybiotyku składającego się z 15 aminokwasów. Ich prace torują drogę do badania właściwości kwantowych biomolekuł i przygotowują grunt pod eksperymenty wykorzystujące kwantową naturę enzymów, DNA i być może pewnego dnia prostych form życia, takich jak wirusy.

Eksperyment Shayeghi i spółki jest w zasadzie prosty. Ich podejście polega na stworzeniu wiązki ultrazimnych cząsteczek gramicydyny, a następnie zmierzeniu wzoru interferencji powstającego, gdy ta wiązka interferuje ze sobą. Ten wzór interferencji jest więc wyraźnym dowodem na falową naturę cząsteczek.

Łatwiej powiedzieć niż zrobić. Pierwszym problemem jest tworzenie wiązki pojedynczych biomolekuł, które są szczególnie delikatne i łatwe do rozbicia.

Shayeghi i spółka robią to, pokrywając krawędź wirującego koła cienką warstwą gramicydyny. Zespół następnie wystrzeliwuje serię krótkich impulsów laserowych w koło, aby wybić molekuły gramicydyny z powierzchni. Impulsy laserowe muszą być wystarczająco krótkie — zaledwie kilka femtosekund — aby kopać biomolekuły bez ich uszkadzania.

Swobodnie unoszące się cząsteczki gramicydyny są następnie wciągane w wiązkę atomów argonu poruszającą się z prędkością 600 metrów na sekundę. W tej wiązce gramicydyna ma długość fali 350 femtometrów (1 femtometr to 1x10-15 metrów).

Ostatnim krokiem jest zmierzenie wzoru utworzonego przez falę interferującą ze sobą.

To chyba najtrudniejsza część. Długość fali wiązki wynosi około jednej tysięcznej długości samych biomolekuł (mierzona tym, jak blisko mogą się upakować). Tak więc zespół potrzebuje techniki, która może mierzyć wzorce w tej skali.

I tu pojawia się interferometria. Zespół wykorzystuje niezwykle czułą technikę znaną jako interferometria Talbota-Lau, aby zmierzyć rozmiar wzoru interferencji.

A wyniki są przekonujące. Spójność molekularna jest zdelokalizowana ponad 20-krotność rozmiaru cząsteczki, powiedzmy Shayeghi i spółka. Ten rodzaj rozmazywania biocząsteczek byłby niemożliwy, gdyby cząsteczki gramicydyny były czystymi cząsteczkami. Jest to możliwe tylko przy interferencji falowej.

Inni badacze zmierzyli dualizm falowo-cząsteczkowy dla większych cząsteczek. Ale użyli technik, które rozerwały delikatne molekuły życia. Nowa technika umożliwi bardziej szczegółowe badanie właściwości kwantowych biomolekuł.

Pomyślna realizacja optyki kwantowej z użyciem tego polipeptydu jako prototypowej biomolekuły toruje drogę dla metrologii molekularnej wspomaganej kwantowo, aw szczególności spektroskopii optycznej dużej klasy biologicznie istotnych molekuł - twierdzą naukowcy.

To interesujące badania o dużym potencjale, który pomoże rozdzielić bajecznie złożone procesy zachodzące w maszynerii życia.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1910.14538 : Zakłócenia materii-fala rodzimego polipeptydu

ukryć