211service.com
Er is voor het eerst gemeten dat een natuurlijk biomolecuul zich gedraagt als een kwantumgolf
Een van de grote contra-intuïtieve puzzels van de kwantummechanica is de dualiteit van golven en deeltjes. Dit is het fenomeen waarbij objecten zich zowel als deeltjes als als golven gedragen.
Talloze experimenten hebben aangetoond dat een enkel deeltje, bijvoorbeeld een elektron of een foton, met zichzelf kan interfereren, zoals een golf. Het dubbelspletenexperiment, waarbij een deeltje tegelijkertijd door twee spleten gaat, is een beroemde demonstratie.
En omdat alle objecten fundamenteel kwantum van aard zijn, hebben ze allemaal een bijbehorende golflengte. Dus in principe zouden macroscopische objecten dit soort golf-deeltjesdualiteit ook moeten vertonen, gegeven een gevoelig genoeg experiment.
Natuurkundigen hebben nog geen manier bedacht om de golfachtige aard van zeer grote objecten te meten, maar hun ambitie op dit gebied neemt gestaag toe. In 1999 toonden ze de golf-deeltjesdualiteit van fullereenmoleculen aan. En sindsdien hebben andere groepen hetzelfde gedaan met nog grotere moleculen.
En dat roept de interessante vraag op hoe groot ze kunnen gaan. Kunnen ze bijvoorbeeld de kwantumeigenschappen van de moleculen van het leven zelf meten?
Vandaag krijgen ze een antwoord dankzij het werk van Armin Shayeghi aan de Universiteit van Wenen en een paar collega's, die voor het eerst kwantuminterferentie hebben aangetoond in moleculen van gramicidine, een natuurlijk antibioticum dat bestaat uit 15 aminozuren. Hun werk baant de weg voor de studie van de kwantumeigenschappen van biomoleculen en zet de toon voor experimenten die gebruik maken van de kwantumaard van enzymen, DNA en misschien ooit eenvoudige levensvormen zoals virussen.
Het experiment van Shayeghi en co is in principe eenvoudig. Hun benadering is om een straal van ultrakoude gramicidine-moleculen te creëren en vervolgens het interferentiepatroon te meten dat ontstaat wanneer deze straal met zichzelf interfereert. Dit interferentiepatroon is dan een duidelijk bewijs van de golfachtige aard van de moleculen.
Dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Het eerste probleem is het creëren van de bundel van individuele biomoleculen, die bijzonder kwetsbaar en gemakkelijk uit elkaar te halen zijn.
Shayeghi en co doen dit door de rand van een spinnewiel te coaten met een dun laagje gramicidine. Het team vuurt vervolgens een reeks korte laserpulsen af op het stuur om de gramicidine-moleculen van het oppervlak te slaan. De laserpulsen moeten kort genoeg zijn - slechts een paar femtoseconden lang - om de biomoleculen te schoppen zonder ze te beschadigen.
De vrij zwevende gramicidine-moleculen worden vervolgens meegesleurd in een straal van argonatomen die met een snelheid van 600 meter per seconde reizen. In deze bundel heeft de gramicidine een golflengte van 350 femtometers (1 femtometer is 1x10-15 meter).
De laatste stap is het meten van het patroon dat wordt gecreëerd door de golf die zichzelf verstoort.
Dit is misschien wel het moeilijkste deel. De golflengte van de straal is ongeveer een duizendste van die van de biomoleculen zelf (gemeten aan de hand van hoe dicht ze bij elkaar kunnen komen). Het team heeft dus een techniek nodig die patronen op die schaal kan meten.
Dat is waar interferometrie om de hoek komt kijken. Het team gebruikt een buitengewoon gevoelige techniek die bekend staat als Talbot-Lau-interferometrie om de grootte van het interferentiepatroon te meten.
En de resultaten zijn overtuigend. De moleculaire coherentie is gedelokaliseerd over meer dan 20 keer de moleculaire grootte, zeggen Shayeghi en co. Dit soort uitsmeren van de biomoleculen zou onmogelijk zijn als de gramicidinemoleculen pure deeltjes waren. Het is alleen mogelijk met golfachtige interferentie.
Andere onderzoekers hebben de dualiteit van golven en deeltjes gemeten voor grotere moleculen. Maar ze hebben technieken gebruikt die de delicate moleculen van het leven uit elkaar zouden halen. De nieuwe techniek zal een meer gedetailleerde studie van de kwantumeigenschappen van biomoleculen mogelijk maken.
De succesvolle realisatie van kwantumoptica met dit polypeptide als een prototypisch biomolecuul maakt de weg vrij voor kwantumondersteunde molecuulmetrologie en in het bijzonder de optische spectroscopie van een grote klasse van biologisch relevante moleculen, aldus de onderzoekers.
Dat is interessant onderzoek met een aanzienlijk potentieel om de fabelachtig complexe processen die aan het werk zijn in de machinerie van het leven uit elkaar te halen.
Referentie: arxiv.org/abs/1910.14538 : Materiegolfinterferentie van een inheems polypeptide