Per la prima volta è stata misurata una biomolecola naturale che agisce come un'onda quantistica

Uno dei grandi enigmi controintuitivi della meccanica quantistica è la dualità onda-particella. Questo è il fenomeno in cui gli oggetti si comportano sia come particelle che come onde.

Numerosi esperimenti hanno dimostrato che una singola particella, ad esempio un elettrone o un fotone, può interferire con se stessa, come un'onda. L'esperimento della doppia fenditura, in cui una particella attraversa due fenditure contemporaneamente, ne è una famosa dimostrazione.

E poiché tutti gli oggetti sono fondamentalmente di natura quantistica, hanno tutti una lunghezza d'onda associata. Quindi, in linea di principio, anche gli oggetti macroscopici dovrebbero mostrare questo tipo di dualità onda-particella, dato un esperimento sufficientemente sensibile.

I fisici non hanno ancora escogitato un modo per misurare la natura ondulatoria di oggetti molto grandi, ma la loro ambizione a questo riguardo è in costante aumento. Nel 1999 hanno dimostrato la dualità onda-particella delle molecole di fullerene. E da allora altri gruppi hanno fatto lo stesso con molecole ancora più grandi.

E questo solleva l'interessante questione di quanto possano essere grandi. Potrebbero, ad esempio, misurare le proprietà quantistiche delle molecole della vita stessa?

Oggi ottengono una risposta grazie al lavoro di Armin Shayeghi dell'Università di Vienna e di alcuni colleghi, che per la prima volta hanno dimostrato l'interferenza quantistica nelle molecole di gramicidina, un antibiotico naturale composto da 15 aminoacidi. Il loro lavoro apre la strada allo studio delle proprietà quantistiche delle biomolecole e prepara la scena per esperimenti che sfruttano la natura quantistica degli enzimi, del DNA e forse un giorno semplici forme di vita come i virus.

L'esperimento di Shayeghi e compagni è in linea di principio semplice. Il loro approccio consiste nel creare un raggio di molecole di gramicidina ultrafredde e quindi misurare il pattern di interferenza creato quando questo raggio interferisce con se stesso. Questo schema di interferenza è quindi una chiara prova della natura ondulatoria delle molecole.

È più facile dirlo che farlo. Il primo problema è creare il fascio di singole biomolecole, che sono particolarmente fragili e facilmente scomponibili.

Shayeghi e compagni lo fanno rivestendo il bordo di un arcolaio con un sottile strato di gramicidina. Il team emette quindi una serie di brevi impulsi laser al volante per far cadere le molecole di gramicidina dalla superficie. Gli impulsi laser devono essere abbastanza brevi, solo pochi femtosecondi, per dare un calcio alle biomolecole senza danneggiarle.

Le molecole di gramicidina fluttuanti vengono quindi spazzate via da un raggio di atomi di argon che viaggia a 600 metri al secondo. In questo raggio, la gramicidina ha una lunghezza d'onda di 350 femtometri (1 femtometro è 1x10-15 metri).

Il passaggio finale consiste nel misurare il modello creato dall'onda che interferisce con se stessa.

Questa è forse la parte più difficile. La lunghezza d'onda del raggio è circa un millesimo di quella delle biomolecole stesse (misurata da quanto strettamente possono impacchettarsi). Quindi il team richiede una tecnica in grado di misurare modelli su quella scala.

È qui che entra in gioco l'interferometria. Il team utilizza una tecnica straordinariamente sensibile nota come interferometria di Talbot-Lau per misurare la dimensione del pattern di interferenza.

E i risultati sono convincenti. La coerenza molecolare è delocalizzato oltre 20 volte la dimensione molecolare, affermano Shayeghi e co. Questo tipo di imbrattamento delle biomolecole sarebbe impossibile se le molecole di gramicidina fossero particelle pure. È possibile solo con interferenza ondulatoria.

Altri ricercatori hanno misurato la dualità onda-particella per molecole più grandi. Ma hanno usato tecniche che avrebbero fatto a pezzi le delicate molecole della vita. La nuova tecnica consentirà uno studio più dettagliato delle proprietà quantistiche delle biomolecole.

La riuscita realizzazione dell'ottica quantistica con questo polipeptide come biomolecola prototipo apre la strada alla metrologia delle molecole quantistiche assistite e in particolare alla spettroscopia ottica di un'ampia classe di molecole biologicamente rilevanti, affermano i ricercatori.

Questa è una ricerca interessante con un potenziale significativo per aiutare a separare i processi favolosamente complessi al lavoro nei macchinari della vita.

Rif: arxiv.org/abs/1910.14538 : Interferenza Materia-Onda Di Un Polipeptide Nativo

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