Pirmo reizi tika izmērīta dabiska biomolekula, kas darbojas kā kvantu vilnis

Viena no lielākajām kvantu mehānikas pretintuitīvajām mīklām ir viļņu daļiņu dualitāte. Šī ir parādība, kurā objekti uzvedas gan kā daļiņas, gan kā viļņi.

Daudzi eksperimenti ir parādījuši, ka viena daļiņa, piemēram, elektrons vai fotons, var traucēt sevi, piemēram, vilnis. Divkāršās spraugas eksperiments, kurā daļiņa vienlaikus iziet cauri divām spraugām, ir slavena demonstrācija.

Un tā kā visi objekti būtībā ir kvantu dabā, tiem visiem ir saistīts viļņa garums. Tātad principā makroskopiskajiem objektiem vajadzētu parādīt arī šāda veida viļņu daļiņu dualitāti, ņemot vērā pietiekami jutīgu eksperimentu.

Fiziķi vēl nav izstrādājuši veidu, kā izmērīt ļoti lielu objektu viļņveida raksturu, taču viņu ambīcijas šajā ziņā ir nepārtraukti pieaugušas. 1999. gadā viņi demonstrēja fullerēna molekulu viļņu-daļiņu dualitāti. Un citas grupas kopš tā laika ir darījušas to pašu ar vēl lielākām molekulām.

Un tas rada interesantu jautājumu par to, cik lielas tās var sasniegt. Vai viņi, piemēram, varētu izmērīt pašu dzīvības molekulu kvantu īpašības?

Šodien viņi saņem atbildi, pateicoties Armīna Šajegi darbam Vīnes Universitātē un dažu kolēģu darbam, kuri pirmo reizi ir pierādījuši kvantu traucējumus gramicidīna molekulās, dabiskas antibiotikas, kas sastāv no 15 aminoskābēm. Viņu darbs paver ceļu biomolekulu kvantu īpašību izpētei un rada vietu eksperimentiem, kas izmanto enzīmu, DNS un, iespējams, kādu dienu vienkāršu dzīvības formu, piemēram, vīrusu kvantu raksturu.

Shayeghi un co eksperiments principā ir vienkāršs. Viņu pieeja ir izveidot ultraaukstu gramicidīna molekulu staru un pēc tam izmērīt traucējumu modeli, kas rodas, kad šis stars traucē pats sevi. Šis traucējumu modelis ir skaidrs pierādījums molekulu viļņveida raksturam.

Tas ir vieglāk pateikt nekā izdarīt. Pirmā problēma ir atsevišķu biomolekulu staru radīšana, kas ir īpaši trauslas un viegli sadalāmas.

Shayeghi un co to dara, pārklājot vērpšanas riteņa malu ar plānu gramicidīna kārtu. Pēc tam komanda raida virkni īsu lāzera impulsu pie stūres, lai notriektu gramicidīna molekulas no virsmas. Lāzera impulsiem ir jābūt pietiekami īsiem — tikai dažām femtosekundēm —, lai izsistītu biomolekulas, tās nesabojājot.

Pēc tam brīvi peldošās gramicidīna molekulas tiek slaucītas argona atomu starā, kas pārvietojas ar ātrumu 600 metri sekundē. Šajā starā gramicidīna viļņa garums ir 350 femtometri (1 femtometrs ir 1x10-15 metri).

Pēdējais solis ir izmērīt modeli, ko rada vilnis, kas traucē pats sevi.

Tas, iespējams, ir visgrūtākais. Staru kūļa viļņa garums ir aptuveni tūkstošdaļa no pašu biomolekulu viļņa garuma (mēra pēc tā, cik cieši tās var salikt kopā). Tāpēc komandai ir nepieciešama tehnika, kas var izmērīt modeļus šajā mērogā.

Šeit tiek izmantota interferometrija. Lai izmērītu traucējumu modeļa lielumu, komanda izmanto īpaši jutīgu paņēmienu, kas pazīstams kā Talbot-Lau interferometrija.

Un rezultāti ir pārliecinoši. Molekulārā saskaņotība ir delokalizēta vairāk nekā 20 reizes par molekulāro izmēru, saka Shayeghi un co. Šāda veida biomolekulu smērēšana nebūtu iespējama, ja gramicidīna molekulas būtu tīras daļiņas. Tas ir iespējams tikai ar viļņveida traucējumiem.

Citi pētnieki ir izmērījuši viļņu daļiņu dualitāti lielākām molekulām. Bet viņi ir izmantojuši paņēmienus, kas varētu saplēst dzīvības smalkās molekulas. Jaunā tehnika ļaus detalizētāk izpētīt biomolekulu kvantu īpašības.

Veiksmīga kvantu optikas realizācija ar šo polipeptīdu kā prototipisku biomolekulu paver ceļu kvantu atbalstītai molekulu metroloģijai un jo īpaši lielas bioloģiski nozīmīgu molekulu klases optiskajai spektroskopijai, saka pētnieki.

Tas ir interesants pētījums ar ievērojamu potenciālu, lai palīdzētu izjaukt pasakaini sarežģītos procesus, kas darbojas dzīves mehānismā.

Atsauce: arxiv.org/abs/1910.14538 : Dabiskā polipeptīda matērijas viļņu iejaukšanās

paslēpties