211service.com
Et naturlig biomolekyl har blitt målt som fungerer som en kvantebølge for første gang
En av kvantemekanikkens store kontraintuitive gåter er bølge-partikkeldualitet. Dette er fenomenet der objekter oppfører seg både som partikler og som bølger.
Tallrike eksperimenter har vist at en enkelt partikkel – for eksempel et elektron eller et foton – kan forstyrre seg selv, som en bølge. Dobbeltspalteeksperimentet, der en partikkel passerer gjennom to spalter samtidig, er en kjent demonstrasjon.
Og fordi alle objekter er grunnleggende kvante i naturen, har de alle en tilhørende bølgelengde. Så i prinsippet bør makroskopiske objekter også vise denne typen bølge-partikkel-dualitet, gitt et følsomt nok eksperiment.
Fysikere har ennå ikke utviklet en måte å måle den bølgelignende naturen til veldig store objekter, men deres ambisjoner i denne forbindelse har økt jevnt og trutt. I 1999 demonstrerte de bølge-partikkel-dualiteten til fullerenmolekyler. Og andre grupper har siden gjort det samme med enda større molekyler.
Og det reiser det interessante spørsmålet om hvor store de kan bli. Kunne de for eksempel måle kvanteegenskapene til selve livets molekyler?
I dag får de svar takket være arbeidet til Armin Shayeghi ved Universitetet i Wien og noen få kolleger, som for første gang har demonstrert kvanteinterferens i molekyler av gramicidin, et naturlig antibiotikum som består av 15 aminosyrer. Arbeidet deres baner vei for studiet av kvanteegenskapene til biomolekyler og setter scenen for eksperimenter som utnytter kvantenaturen til enzymer, DNA og kanskje en dag enkle livsformer som virus.
Shayeghi og cos eksperiment er i prinsippet enkelt. Deres tilnærming er å lage en stråle av ultrakalde gramicidinmolekyler og deretter måle interferensmønsteret som skapes når denne strålen forstyrrer seg selv. Dette interferensmønsteret er da et klart bevis på den bølgelignende naturen til molekylene.
Det er lettere sagt enn gjort. Det første problemet er å lage strålen av individuelle biomolekyler, som er spesielt skjøre og enkle å bryte fra hverandre.
Shayeghi og co gjør dette ved å belegge kanten av et spinnende hjul med et tynt lag gramicidin. Teamet skyter deretter en serie korte laserpulser mot rattet for å slå gramicidinmolekylene av overflaten. Laserpulsene må være korte nok - bare noen få femtosekunder lange - til å sparke biomolekylene uten å skade dem.
De frittflytende gramicidinmolekylene blir deretter feid opp i en stråle av argonatomer som beveger seg med 600 meter per sekund. I denne strålen har gramicidin en bølgelengde på 350 femtometer (1 femtometer er 1x10-15 meter).
Det siste trinnet er å måle mønsteret skapt av at bølgen forstyrrer seg selv.
Dette er kanskje det vanskeligste. Bølgelengden til strålen er omtrent en tusendel av biomolekylene selv (målt etter hvor tett de kan pakkes sammen). Så teamet krever en teknikk som kan måle mønstre på den skalaen.
Det er her interferometri kommer inn. Teamet bruker en usedvanlig sensitiv teknikk kjent som Talbot-Lau interferometri for å måle størrelsen på interferensmønsteret.
Og resultatene er overbevisende. Den molekylære koherensen er delokalisert over mer enn 20 ganger molekylstørrelsen, sier Shayeghi og co. Denne typen utsmøring av biomolekylene ville vært umulig hvis gramicidinmolekylene var rene partikler. Det er bare mulig med bølgelignende interferens.
Andre forskere har målt bølge-partikkel-dualitet for større molekyler. Men de har brukt teknikker som ville rive i stykker livets delikate molekyler. Den nye teknikken vil tillate mer detaljerte studier av kvanteegenskapene til biomolekyler.
Den vellykkede realiseringen av kvanteoptikk med dette polypeptidet som et prototypisk biomolekyl baner vei for kvanteassistert molekylmetrologi og spesielt den optiske spektroskopien til en stor klasse av biologisk relevante molekyler, sier forskerne.
Det er interessant forskning med betydelig potensiale for å hjelpe til med å skille de utrolig komplekse prosessene som jobber i livets maskineri.
Ref: arxiv.org/abs/1910.14538 : Matter-Wave Interference Of A Native Polypeptide