En av kvantmekanikens centrala grundsatser är våg-partikeldualiteten. Det säger oss att även massiva föremål beter sig som både partiklar och vågor. Ett antal tidigare experiment har visat detta för elektroner, neutroner, atomer och till och med stora molekyler. Kvantteorin hävdar att detta är en universell egenskap hos materia. Dock, det hade varit notoriskt svårt att utvidga denna forskning till komplexa biomolekylära system. Nya experiment vid universitetet i Wien, med stöd av kvantkemisk modellering vid Stanford University, demonstrera nu för första gången kvantvågsnaturen hos en komplex antibiotisk polypeptid, här gramicidin. Resultaten har publicerats i Naturkommunikation .

Kvantinterferens med livets byggstenar

Partikel-vågdualiteten är ett allestädes närvarande fenomen inom kvantfysiken och även om det har varit känt i nästan ett sekel, det utlöser fortfarande förbryllande när vi ser det realiserat i komplex materia:hur kan ett objekt delokaliseras på ett vågliknande sätt? Om kvantfysik är en universell teori:hur komplicerat kan ett objekt vara för att fortfarande observera detta kontraintuitiva beteende? Gäller det fortfarande större klumpar av materia, eller till och med till livets byggstenar, som till exempel peptider och proteiner?

Forskargruppen kring Markus Arndt vid universitetet i Wien utvecklar sofistikerade verktyg för att lansera, diffraktera, störa och detektera komplexa molekyler. Dock, Att testa kvantfysik med långa aminosyrakedjor hade hittills varit oöverkomligt. De var tvungna att övervinna utmaningarna relaterade till att generera tillräckligt intensiva strålar av dessa biopolymerer, att isolera dem i högvakuum från alla störande miljöer, och att etablera sammanhängande verktyg för att undersöka deras kvantnatur.

I det nya verket publicerat i Naturkommunikation , Armin Shayeghi och kollegor demonstrerar för första gången kvantinterferens av den naturliga polypeptiden gramicidin, ett antibiotikum tillverkat av 15 kovalent bundna aminosyror. En nyckel till denna framgång var användningen av ultrasnabbt och intensivt laserljus för att desorbera peptiderna innan de kunde sönderdela och materiavågsinterferometri som utnyttjade diffraktionselement baserat på kvantmätning. Dessa tekniker ska bana väg för ännu mer komplexa biologiska nanomaterial från proteiner till DNA. Denna forskning drivs av det grundläggande intresset av att utforska kvantfysikens gränser och att etablera nya kvantförstärkta teknologier som minimalt invasiva analysverktyg för enskilda biomolekyler isolerade i gasfasen.

Experimentellt tillvägagångssätt

Femtosekunds korta ultravioletta laserpulser slår bort de ömtåliga molekylerna från en yta. Partiklarna sveps bort i en stråle av kalla argonatomer. När de färdas med hastigheter på upp till 600 m/s har gramicidinmolekylerna en liten våglängd på endast 350 femtometer, ungefär en tiotusendel av diametern på själva biomolekylerna. Shayeghi et al. använde en mycket känslig teknik som kallas tidsdomän Talbot-Lau interferometri för att mäta deras kvantkantmönster och hitta att den molekylära koherensen är delokaliserad över mer än 20 gånger storleken på molekylerna, som bara kan förklaras av kvantmekanik. Denna slutsats bekräftas av ytterligare kvantkemiska beräkningar på hög nivå, i samarbete med Todd J. Martinez från Stanford University, förutsäga elektronisk struktur och egenskaper som går in i fas-rymdsimuleringar för att modellera interferensprocessen.

"Vår nya teknik kommer att möjliggöra detaljerade studier av biomolekylers kvantegenskaper och den banar väg för en ny typ av optisk spektroskopi av biologiskt relevanta molekyler, säger Shayeghi.