Uno de los principios centrales de la mecánica cuántica es la dualidad onda-partícula. Nos dice que incluso los objetos masivos se comportan tanto como partículas como como ondas. Varios experimentos anteriores han demostrado esto para los electrones, neutrones, átomos e incluso moléculas grandes. La teoría cuántica sostiene que esta es una propiedad universal de la materia. Sin embargo, Había sido notoriamente difícil extender esta investigación a sistemas biomoleculares complejos. Nuevos experimentos en la Universidad de Viena, respaldado por modelos químicos cuánticos en la Universidad de Stanford, ahora demuestran por primera vez la naturaleza de onda cuántica de un polipéptido antibiótico complejo, aquí gramicidina. Los resultados han sido publicados en Comunicaciones de la naturaleza .

Interferencia cuántica con los componentes básicos de la vida

La dualidad partícula-onda es un fenómeno omnipresente en la física cuántica y, aunque se conoce desde hace casi un siglo, todavía provoca perplejidad cuando lo vemos realizado en materia compleja:¿cómo se puede deslocalizar un objeto en forma de onda? Si la física cuántica es una teoría universal:¿qué tan complejo puede ser un objeto para seguir observando este comportamiento contrario a la intuición? ¿Se aplica todavía a grandes trozos de materia? o incluso a los componentes básicos de la vida, como por ejemplo péptidos y proteínas?

El grupo de investigación de Markus Arndt en la Universidad de Viena está desarrollando herramientas sofisticadas para lanzar, difractar, interferir y detectar moléculas complejas. Sin embargo, probar la física cuántica con largas cadenas de aminoácidos había seguido siendo prohibitivo hasta ahora. Tuvieron que superar los desafíos relacionados con generar haces suficientemente intensos de estos biopolímeros, para aislarlos en alto vacío de cualquier entorno perturbador, y establecer herramientas coherentes para probar su naturaleza cuántica.

En el nuevo trabajo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Armin Shayeghi y sus colegas demuestran por primera vez la interferencia cuántica del polipéptido natural gramicidina, un antibiótico compuesto por 15 aminoácidos unidos covalentemente. Una clave de este éxito fue el uso de luz láser ultrarrápida e intensa para desorber los péptidos antes de que pudieran descomponerse y la interferometría de ondas de materia explotando elementos de difracción basados ​​en la medición cuántica. Estas técnicas allanarán el camino hacia nanomateriales biológicos aún más complejos, desde proteínas hasta ADN. Esta investigación está impulsada por el interés fundamental en explorar los límites de la física cuántica y en establecer nuevas tecnologías mejoradas cuánticas como herramientas analíticas mínimamente invasivas para biomoléculas individuales aisladas en la fase gaseosa.

Enfoque experimental

Los pulsos de láser ultravioleta cortos de femtosegundos derriban las frágiles moléculas de una superficie. Las partículas son arrastradas por un chorro de átomos de argón fríos. Viajando a velocidades de hasta 600 m / s, las moléculas de gramicidina tienen una pequeña longitud de onda de solo 350 femtómetros, aproximadamente una diezmilésima parte del diámetro de las propias biomoléculas. Shayeghi y col. utilizó una técnica muy sensible conocida como interferometría de Talbot-Lau en el dominio del tiempo para medir su patrón de franjas cuánticas y encontrar que la coherencia molecular está deslocalizada en más de 20 veces el tamaño de las moléculas, que solo puede explicarse mediante la mecánica cuántica. Esta conclusión se ve corroborada por cálculos químicos cuánticos de alto nivel adicionales, en colaboración con Todd J. Martinez de la Universidad de Stanford, predecir la estructura electrónica y las propiedades que entran en simulaciones de espacio de fase para modelar el proceso de interferencia.

“Nuestra nueva técnica permitirá estudios detallados de las propiedades cuánticas de las biomoléculas y allana el camino para un nuevo tipo de espectroscopía óptica de moléculas biológicamente relevantes, "dice Shayeghi.