La biomolecola naturale che agisce come un onda quantistica

Uno dei principi cardine della meccanica quantistica è il dualismo onda/particella. In pratica ogni particella si comporta anche come un onda a seconda del fenomeno osservato. Questo principio è stato più volte dimostrato con il noto esperimento della doppia fenditura. L'esperimento consiste nel far passare un fascio di elettroni da due fenditure e successivamente osservarne la disposizione su di uno schermo rivelatore. La disposizione degli elettroni non corrisponde alle due fenditure ma a precise figure di interferenza causate da onde sovrapposte. 

Poiché tutti gli oggetti sono fondamentalmente quantici in natura, hanno tutti una lunghezza d'onda associata. Quindi, in linea di principio, gli oggetti macroscopici potrebbero mostrare anche questo tipo di dualità onda-particella, dato un esperimento abbastanza sensibile.

Un’équipe di ricercatori della University of Vienna è riuscita, per la prima volta al mondo, a osservare l’interferenza quantistica in una biomolecola piuttosto grande, la gramicidina, un antibiotico naturale composto da 15 amminoacidi. L'esperimento condotto da Armin Shayeghi e dai suoi colleghi pone le basi per esperimenti che sfruttano la natura quantistica degli enzimi, del DNA e forse un giorno semplici forme di vita come i virus. 

L'esperimento consiste nel creare un fascio di molecole di gramicidina e quindi di misurare il modello di interferenza creato quando questo raggio interferisce con se stesso. Questo modello di interferenza è quindi una chiara evidenza della natura ondulata delle molecole.

È più facile dirlo che farlo. Il primo problema è la creazione del fascio di singole biomolecole, che sono particolarmente fragili e facili da spezzare. Per riuscirci, Shayeghi e colleghi hanno ricoperto il bordo di una ruota con uno strato sottilissimo di gramicidina. Successivamente, vi hanno inviato una serie di impulsi laser molto brevi (dell’ordine dei femtosecondi) per far sì che le biomolecole si staccassero dalla ruota senza danneggiarsi. A questo punto, la gramicidina fluttuante viene spazzata via da un fascio di atomi di argon che viaggia a 600 metri al secondo.

Il passo finale è misurare il modello creato dall'onda che interferisce con se stesso, ed è qui che viene la parte veramente difficile. Per farlo il team si è servito di una tecnica estremamente precisa e sensibile, la cosiddetta interferometria di Talbot-Lou, con la quale è riuscita ad osservare l’effetto sperato: “La coerenza molecolare”, dicono gli scienziati, “è delocalizzata su uno spazio 20 volte maggiore rispetto alle dimensioni delle molecole”. In altre parole, la biomolecola interferisce con se stessa delocalizzandosi su un’area relativamente ampia, un fenomeno che non potrebbe accadere se questa avesse una natura soltanto corpuscolare. Quindi deve necessariamente trattarsi anche di un’onda. “La riuscita dell’esperimento”, concludono i ricercatori, “getta le basi per la misura delle proprietà quantistiche delle biomolecole, particolarmente interessante nel caso di molecole che hanno un ruolo cruciale nei meccanismi biologici”.

LInk alla pubblicazione dello studio

https://arxiv.org/abs/1910.14538

Riferimenti

Mit Technology Review