Uno dei principi centrali della meccanica quantistica è la dualità onda-particella. Ci dice che anche gli oggetti massicci si comportano sia come particelle che come onde. Un certo numero di esperimenti precedenti hanno dimostrato questo per gli elettroni, neutroni, atomi e anche grandi molecole. La teoria quantistica sostiene che questa sia una proprietà universale della materia. Però, era stato notoriamente difficile estendere questa ricerca a sistemi biomolecolari complessi. Nuovi esperimenti all'Università di Vienna, supportato dalla modellazione chimica quantistica presso la Stanford University, ora dimostrano per la prima volta la natura dell'onda quantistica di un complesso polipeptide antibiotico, qui gramicidina. I risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Interferenza quantistica con i mattoni della vita

La dualità particella-onda è un fenomeno onnipresente nella fisica quantistica e anche se è nota da quasi un secolo, suscita ancora perplessità quando lo vediamo realizzato in una materia complessa:come si può delocalizzare un oggetto in maniera ondulatoria? Se la fisica quantistica è una teoria universale:quanto può essere complesso un oggetto per osservare ancora questo comportamento controintuitivo? Si applica ancora a pezzi di materia più grandi, o anche ai mattoni della vita, come ad esempio peptidi e proteine?

Il gruppo di ricerca attorno a Markus Arndt dell'Università di Vienna sta sviluppando strumenti sofisticati per lanciare, diffrangere, interferire e rilevare molecole complesse. Però, testare la fisica quantistica con lunghe catene di amminoacidi era rimasto proibitivo fino ad ora. Hanno dovuto superare le sfide relative alla generazione di fasci sufficientemente intensi di questi biopolimeri, isolarli in alto vuoto da qualsiasi ambiente perturbante, e stabilire strumenti coerenti per sondare la loro natura quantistica.

Nel nuovo lavoro pubblicato su Comunicazioni sulla natura , Armin Shayeghi e colleghi dimostrano per la prima volta l'interferenza quantistica del polipeptide naturale gramicidina, un antibiotico composto da 15 amminoacidi legati in modo covalente. Una chiave di questo successo è stata l'uso di luce laser ultraveloce e intensa per desorbire i peptidi prima che potessero decomporsi e l'interferometria materia-onda che sfruttava gli elementi di diffrazione basati sulla misurazione quantistica. Queste tecniche apriranno la strada a nanomateriali biologici ancora più complessi, dalle proteine ​​al DNA. Questa ricerca è guidata dall'interesse fondamentale nell'esplorare i limiti della fisica quantistica e nello stabilire nuove tecnologie quantistiche potenziate come strumenti analitici minimamente invasivi per singole biomolecole isolate in fase gassosa.

Approccio sperimentale

Brevi impulsi laser ultravioletti a femtosecondi fanno cadere le molecole fragili da una superficie. Le particelle vengono spazzate via in un getto di atomi di argon freddo. Viaggiando a velocità fino a 600 m/s le molecole di gramicidina hanno una lunghezza d'onda minuscola di soli 350 femtometri, circa un decimillesimo del diametro delle biomolecole stesse. Shayeghi et al. ha utilizzato una tecnica molto sensibile nota come interferometria Talbot-Lau nel dominio del tempo per misurare il loro modello di frangia quantistica e scoprire che la coerenza molecolare è delocalizzata oltre 20 volte la dimensione delle molecole, che può essere spiegato solo dalla meccanica quantistica. Questa conclusione è corroborata da ulteriori calcoli di chimica quantistica di alto livello, in collaborazione con Todd J. Martinez della Stanford University, prevedere la struttura elettronica e le proprietà che entrano nelle simulazioni dello spazio delle fasi per modellare il processo di interferenza.

"La nostra nuova tecnica consentirà studi dettagliati delle proprietà quantistiche delle biomolecole e aprirà la strada a un nuovo tipo di spettroscopia ottica di molecole biologicamente rilevanti, "dice Shayeghi.