211service.com
En naturlig biomolekyl har uppmätts fungera som en kvantvåg för första gången
Ett av kvantmekanikens stora kontraintuitiva pussel är våg-partikeldualitet. Detta är fenomenet där föremål beter sig både som partiklar och som vågor.
Flera experiment har visat att en enda partikel - en elektron eller en foton, till exempel - kan störa sig själv, som en våg. Dubbelslitsexperimentet, där en partikel passerar genom två slitsar samtidigt, är en berömd demonstration.
Och eftersom alla objekt i grunden är kvanta i naturen, har de alla en tillhörande våglängd. Så i princip borde makroskopiska objekt också visa denna typ av våg-partikeldualitet, givet ett tillräckligt känsligt experiment.
Fysiker har ännu inte utarbetat ett sätt att mäta den våglika naturen hos mycket stora föremål, men deras ambitioner i detta avseende har stadigt ökat. 1999 demonstrerade de våg-partikeldualiteten hos fullerenmolekyler. Och andra grupper har sedan dess gjort samma sak med ännu större molekyler.
Och det väcker den intressanta frågan om hur stora de kan bli. Skulle de till exempel kunna mäta kvantegenskaperna hos själva livets molekyler?
Idag får de svar tack vare Armin Shayeghis arbete vid universitetet i Wien och några kollegor, som för första gången har visat kvantinterferens i molekyler av gramicidin, ett naturligt antibiotikum som består av 15 aminosyror. Deras arbete banar väg för studier av biomolekylers kvantegenskaper och sätter scenen för experiment som utnyttjar kvantnaturen hos enzymer, DNA och kanske en dag enkla livsformer som virus.
Shayeghi och cos experiment är i princip enkelt. Deras tillvägagångssätt är att skapa en stråle av ultrakalla gramicidinmolekyler och sedan mäta interferensmönstret som skapas när denna stråle stör sig själv. Detta interferensmönster är då ett tydligt bevis på molekylernas vågliknande natur.
Det är lättare sagt än gjort. Det första problemet är att skapa strålen av enskilda biomolekyler, som är särskilt ömtåliga och lätta att bryta isär.
Shayeghi och co gör detta genom att belägga kanten på ett snurrande hjul med ett tunt lager gramicidin. Teamet avfyrar sedan en serie korta laserpulser mot ratten för att slå bort gramicidinmolekylerna från ytan. Laserpulserna måste vara tillräckligt korta - bara några femtosekunder långa - för att sparka biomolekylerna utan att skada dem.
De fritt flytande gramicidinmolekylerna svepas sedan upp i en stråle av argonatomer som rör sig med 600 meter per sekund. I denna stråle har gramicidin en våglängd på 350 femtometer (1 femtometer är 1x10-15 meter).
Det sista steget är att mäta mönstret som skapas av att vågen interfererar med sig själv.
Detta är kanske den svåraste biten. Strålens våglängd är ungefär en tusendel av biomolekylernas själva (mätt genom hur tätt de kan packas ihop). Så teamet kräver en teknik som kan mäta mönster på den skalan.
Det är där interferometri kommer in. Teamet använder en extraordinärt känslig teknik som kallas Talbot-Lau interferometri för att mäta storleken på interferensmönstret.
Och resultaten är övertygande. Den molekylära koherensen är delokaliserad över mer än 20 gånger molekylstorleken, säger Shayeghi och co. Denna typ av smetning av biomolekylerna skulle vara omöjlig om gramicidinmolekylerna var rena partiklar. Det är endast möjligt med vågliknande störningar.
Andra forskare har mätt våg-partikeldualitet för större molekyler. Men de har använt tekniker som skulle slita isär livets känsliga molekyler. Den nya tekniken kommer att möjliggöra mer detaljerade studier av biomolekylers kvantegenskaper.
Det framgångsrika förverkligandet av kvantoptik med denna polypeptid som en prototypisk biomolekyl banar väg för kvantassisterad molekylmetrologi och i synnerhet den optiska spektroskopin av en stor klass av biologiskt relevanta molekyler, säger forskarna.
Det är intressant forskning med betydande potential att hjälpa till att reta isär de fantastiskt komplexa processer som fungerar i livets maskineri.
Ref: arxiv.org/abs/1910.14538 : Matter-Wave Interference Of A Native Polypeptide