Se ha medido una biomolécula natural actuando como una onda cuántica por primera vez

Uno de los grandes enigmas contraintuitivos de la mecánica cuántica es la dualidad onda-partícula. Este es el fenómeno en el que los objetos se comportan como partículas y como ondas.

Numerosos experimentos han demostrado que una sola partícula, un electrón o un fotón, por ejemplo, puede interferir consigo misma, como una onda. El experimento de la doble rendija, en el que una partícula pasa a través de dos rendijas al mismo tiempo, es una demostración famosa.

Y debido a que todos los objetos son fundamentalmente de naturaleza cuántica, todos tienen una longitud de onda asociada. Entonces, en principio, los objetos macroscópicos también deberían mostrar este tipo de dualidad onda-partícula, dado un experimento lo suficientemente sensible.

Los físicos aún no han ideado una forma de medir la naturaleza ondulatoria de objetos muy grandes, pero su ambición en este sentido ha ido en constante aumento. En 1999, demostraron la dualidad onda-partícula de las moléculas de fullereno. Y desde entonces, otros grupos han hecho lo mismo con moléculas aún más grandes.

Y eso plantea la interesante pregunta de qué tan grandes pueden llegar. ¿Podrían, por ejemplo, medir las propiedades cuánticas de las moléculas de la vida misma?

Hoy obtienen una respuesta gracias al trabajo de Armin Shayeghi en la Universidad de Viena y algunos colegas, quienes por primera vez han demostrado la interferencia cuántica en moléculas de gramicidina, un antibiótico natural compuesto por 15 aminoácidos. Su trabajo allana el camino para el estudio de las propiedades cuánticas de las biomoléculas y sienta las bases para experimentos que explotan la naturaleza cuántica de las enzimas, el ADN y quizás algún día formas de vida simples como los virus.

El experimento de Shayeghi y compañía es simple en principio. Su enfoque es crear un haz de moléculas de gramicidina ultrafrías y luego medir el patrón de interferencia creado cuando este haz interfiere consigo mismo. Este patrón de interferencia es entonces una clara evidencia de la naturaleza ondulatoria de las moléculas.

Es más fácil decirlo que hacerlo. El primer problema es crear el haz de biomoléculas individuales, que son particularmente frágiles y fáciles de romper.

Shayeghi y compañía hacen esto recubriendo el borde de una rueca con una fina capa de gramicidina. Luego, el equipo dispara una serie de pulsos láser cortos a la rueda para eliminar las moléculas de gramicidina de la superficie. Los pulsos de láser tienen que ser lo suficientemente cortos (solo unos pocos femtosegundos de duración) para patear las biomoléculas sin dañarlas.

Las moléculas de gramicidina que flotan libremente son luego arrastradas por un haz de átomos de argón que viaja a 600 metros por segundo. En este haz, la gramicidina tiene una longitud de onda de 350 femtómetros (1 femtómetro es 1x10-15 metros).

El paso final es medir el patrón creado por la onda que interfiere consigo misma.

Esta es quizás la parte más difícil. La longitud de onda del haz es aproximadamente una milésima de la de las propias biomoléculas (medida por lo cerca que pueden empaquetarse). Entonces, el equipo requiere una técnica que pueda medir patrones en esa escala.

Ahí es donde entra en juego la interferometría. El equipo utiliza una técnica extraordinariamente sensible conocida como interferometría de Talbot-Lau para medir el tamaño del patrón de interferencia.

Y los resultados son convincentes. La coherencia molecular está deslocalizada en más de 20 veces el tamaño molecular, dicen Shayeghi y compañía. Este tipo de manchado de las biomoléculas sería imposible si las moléculas de gramicidina fueran partículas puras. Solo es posible con interferencias ondulatorias.

Otros investigadores han medido la dualidad onda-partícula para moléculas más grandes. Pero han usado técnicas que destrozarían las delicadas moléculas de la vida. La nueva técnica permitirá un estudio más detallado de las propiedades cuánticas de las biomoléculas.

La realización exitosa de la óptica cuántica con este polipéptido como biomolécula prototípica allana el camino para la metrología molecular asistida cuántica y, en particular, la espectroscopia óptica de una gran clase de moléculas biológicamente relevantes, dicen los investigadores.

Esa es una investigación interesante con un potencial significativo para ayudar a descifrar los procesos fabulosamente complejos que funcionan en la maquinaria de la vida.

Ref: arxiv.org/abs/1910.14538 : Interferencia materia-onda de un polipéptido nativo

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