Физики наблюдают, как первая естественная биомолекула ведет себя как квантовая волна
Впервые физики наблюдают дуальность волн и частиц в молекулах грамицидина. Грамицидин является природным антибиотиком с 15 аминокислотами. Полученные данные открывают путь для новой эры квантовой биологии.
В квантовой механике объекты ведут себя как волны и как частицы. Эта дуальность волны-частицы стала важнейшим аспектом современной физики.
Различные исследования доказали, что отдельная частица, такая как фотон или электрон, может создавать помехи для себя, как волна. Поскольку все имеет квантовую природу, все они имеют определенную длину волны.
Согласно квантовым законам, которые описывают природу в наименьшем масштабе, микроскопические объекты также должны демонстрировать такую двойственность волны-частицы. Тем не менее ученые еще не нашли способ измерить волнообразную природу крупных объектов.
Хотя им удалось проанализировать волнообразную природу более крупных молекул за последние два десятилетия. Например, в 1999 году группа физиков наблюдала дуальность волны-частицы в молекулах углерода-60.
Несколько групп наблюдали ту же природу с еще большими молекулами. В 2019 году команда проиллюстрировала делокализацию массивных молекул, содержащих 40000 нейтронов, электронов и протонов. Но вопрос в том, насколько они велики. Можно ли измерить квантовые свойства природной биомолекулы?
Похоже, что исследователи из Венского университета получили ответ. Они впервые обнаружили квантовую интерференцию в молекулах грамицидина. Грамицидины представляют собой линейные пептиды с 15 аминокислотами.
Как они это сделали?
Чтобы наблюдать дуальность волны-частицы в грамицидине, исследователи создали пучок ультрахолодных молекул грамицидина. Этот луч мешает самому себе, что является очевидным свидетельством волнообразной природы биомолекул. Команда использовала сложную установку для анализа интерференционной картины.
Эксперимент не так прост, как кажется. Поскольку грамицидин является чрезвычайно хрупким антибиотиком, его молекулы могут легко распадаться. Это еще более усложняет создание пучка отдельных биомолекул.
То, что сделали исследователи, они покрыли край прялки тонким слоем грамицидина. Затем они посылали короткие лазерные импульсы (длиной всего несколько фемтосекунд) на край колеса, чтобы сбить молекулы грамицидина с поверхности (не повреждая их).
Затем пучок атомов аргона (движущийся со скоростью 600 м / с) захватывает свободно плавающие биомолекулы, длина волны которых составляет 350 фемтометров. Для анализа картины, образованной волной, интерферирующей с самой собой, исследователи использовали специальную методику, называемую Интерферометрией Тальбота-Лау.
Результаты впечатляют: "молекулярная когерентность делокализована более чем в двадцать раз больше молекулярного размера". Картина, наблюдаемая в этом исследовании, была бы невозможна, если бы молекулы грамицидина были чистыми частицами. Это подтверждает, что грамицидины проявляют корпускулярно-волновой дуализм.
Хотя другие эксперименты анализировали волнообразную природу более крупных молекул, они полагались на методы, которые разрушают молекулы. С другой стороны, новая методика открывает новые возможности для изучения квантовой природы биомолекул, а также оптоэлектронных свойств нейтральных биомолекулярных систем.
Исследование также позволит ученым установить эксперименты, которые используют квантовую природу ДНК и ферментов.
Источник: : 1910.14538