Вчені вперше продемонстрували квантову поведінку молекул пептидів. Ці сполуки представляють собою полімери з декількох амінокислот і дуже поширені в живій природі. Результати експериментів відкривають можливості для вивчення квантових властивостей білків, ділянок ДНК та інших біомолекул, пишуть автори в препринті на arXiv.org.
Оновлено:19 березня 2020 року статтю опублікували в журналі.
Одним з основоположних положень квантової механіки є корпускулярно-хвильовий дуалізм. Цим терміном називається властивість реальних частинок поводитися і як класичні точкові тіла, і як хвилі. Найбільш яскраво цей принцип проявляється в двохщоловому експерименті, в якому потік частинок (наприклад, електронів) потрапляє на непрозорий екран з вузькими прорізами. В результаті позаду нього утворюється інтерференційна картина, тобто частинки демонструють хвильову поведінку.
Ще виразніше квантова природа видна при зниженні інтенсивності потоку частинок. Виявляється, що навіть у разі руху одиночних об'єктів вони все одно поводяться подібно до хвиль. У такому випадку зазвичай примусово кажуть, що частинка «інтерферує сама з собою» і «проходить через обидві щілини відразу». Подібні експерименти проводилися безліч разів, в результаті чого вдалося довести квантову природу багатьох видів частинок, таких як електрони, фотони або окремі атоми.
Теоретично корпускулярно-хвильовий дуалізм пророкує можливість спостереження хвильових властивостей будь-яких тіл, однак для цього необхідно вивчати відхилення від класичної фізики на малих відстанях. Це пов'язано з тією обставиною, що для масивного об'єкта відповідні явища стають помітними на масштабі, порівнянному з довжиною хвилі де Бройля для даного тіла, яка назад пропорційна масі. Виходить, що чим масивніший об'єкт, тим складніше зареєструвати його квантову поведінку.
У 1999 році була експериментально доведена квантова природа молекул фуллерена C60. На даний момент квантова поведінка зафіксована у частинок з масами аж до близько 10000 атомних одиниць маси, які складаються з приблизно тисячі атомів. Однак існуючі технології дозволяють працювати далеко не з будь-якими сполуками. Зокрема, більшість важливих в контексті біології речовин легко руйнуються при впливах, які повинні створювати молекулярний пучок достатньої інтенсивності.
Фізикам з Австрії, Великобританії і США під керівництвом Маркуса Арндта (Markus Arndt) з Віденського університету вперше вдалося спостерігати квантові властивості пептида, тобто полімеру з невеликої кількості амінокислот. У рамках експерименту вчені створювали пучки граміцидину A1 в газовій фазі - антибіотика з лінійною структурою з 15 амінокислот, маса молекул якого дорівнює 1882 атомним одиницям маси.
Проведені досліди полягали у створенні пучка ультрахолодних молекул і спостереженні інтерференційних картин від взаємодії частинок. Для цього вчені обстрілювали вкритий граміцидіном циліндр лазерними імпульсами тривалістю кілька фемтосекунд, а молекули, що випарувалися, захоплювали потоком аргону або гелію. Потім потік звужували і направляли в повністю оптичний інтерферометр Тальбота - Лау, в якому в якості дифракційних решіток виступають стоячі хвилі ультрафіолетового лазера. Обрана частота лазера дозволяє ефективно іонізувати залишки триптофану в складі граміцидину, що перетворює стоячу хвилю на низку смуг прозорості.
Довжина хвилі де Бройля для молекул граміцидину повинна становити близько 350 фемтометрів, що в 10000 разів менше радіусу Ван-дер-Ваальса, на якому стають помітні міжмолекулярні сили взаємодії. Однак отриману авторами картину інтерференції можна пояснити тільки в припущенні, що молекули делокалізовані більш ніж на 20 своїх розмірів.
Автори називають ключовим використаним нововведенням застосування ультрафіолетових лазерів з фемтосекундними імпульсами, що дозволило випаровувати крихкі молекули ефективніше будь-яких інших методів. Вчені прогнозують, що подібним чином можна домогтися вивчення квантового режиму невеликих білків, таких як інсулін. Подальші модифікації повинні дозволити реалізувати схожі досліди з іншими видами біомолекул, у тому числі з ділянками ДНК.
Нещодавно вчені показали лазерну передачу енергії для військових, перетворили почесний нітрид бора на квантове сито для ізотопів водню і отримали стійкі краплі магнітної «квантової рідини».