L'un des principes centraux de la mécanique quantique est la dualité onde-particule. Il nous dit que même les objets massifs se comportent à la fois comme des particules et des ondes. Un certain nombre d'expériences précédentes l'ont montré pour les électrons, neutrons, atomes et même de grosses molécules. La théorie quantique soutient qu'il s'agit d'une propriété universelle de la matière. Cependant, il avait été notoirement difficile d'étendre cette recherche à des systèmes biomoléculaires complexes. De nouvelles expériences à l'Université de Vienne, soutenu par la modélisation chimique quantique à l'Université de Stanford, démontrent maintenant pour la première fois la nature d'onde quantique d'un polypeptide antibiotique complexe, ici la gramicidine. Les résultats ont été publiés dans Communication Nature .

Interférence quantique avec les éléments constitutifs de la vie

La dualité particule-onde est un phénomène omniprésent en physique quantique et même si elle est connue depuis près d'un siècle, elle suscite encore la perplexité quand on la voit se réaliser dans la matière complexe :comment un objet peut-il être délocalisé de manière ondulatoire ? Si la physique quantique est une théorie universelle :à quel point un objet peut-il être complexe pour observer encore ce comportement contre-intuitif ? Est-ce que cela s'applique toujours à de plus gros morceaux de matière, ou même aux éléments constitutifs de la vie, comme par exemple des peptides et des protéines ?

Le groupe de recherche autour de Markus Arndt à l'Université de Vienne développe des outils sophistiqués pour lancer, diffracter, interférer et détecter des molécules complexes. Cependant, tester la physique quantique avec de longues chaînes d'acides aminés était resté jusqu'à présent prohibitif. Ils ont dû surmonter les défis liés à la génération de faisceaux suffisamment intenses de ces biopolymères, de les isoler sous vide poussé de tout environnement perturbateur, et d'établir des outils cohérents pour sonder leur nature quantique.

Dans le nouvel ouvrage publié dans Communication Nature , Armin Shayeghi et ses collègues démontrent pour la première fois l'interférence quantique du polypeptide naturel gramicidine, un antibiotique composé de 15 acides aminés liés de manière covalente. L'une des clés de ce succès a été l'utilisation d'une lumière laser ultrarapide et intense pour désorber les peptides avant qu'ils ne puissent se décomposer et l'interférométrie à ondes de matière exploitant des éléments de diffraction basés sur la mesure quantique. Ces techniques ouvriront la voie à des nanomatériaux biologiques encore plus complexes, des protéines à l'ADN. Cette recherche est motivée par l'intérêt fondamental d'explorer les limites de la physique quantique et d'établir de nouvelles technologies améliorées quantiques en tant qu'outils analytiques peu invasifs pour les biomolécules individuelles isolées en phase gazeuse.

Approche expérimentale

De courtes impulsions laser ultraviolettes femtosecondes font tomber les molécules fragiles d'une surface. Les particules sont emportées dans un jet d'atomes d'argon froids. Se déplaçant à des vitesses allant jusqu'à 600 m/s, les molécules de gramicidine ont une petite longueur d'onde de seulement 350 femtomètres, environ un dix millième du diamètre des biomolécules elles-mêmes. Shayeghi et al. utilisé une technique très sensible connue sous le nom d'interférométrie de Talbot-Lau dans le domaine temporel pour mesurer leur motif de franges quantiques et constater que la cohérence moléculaire est délocalisée sur plus de 20 fois la taille des molécules, qui ne peut s'expliquer que par la mécanique quantique. Cette conclusion est corroborée par des calculs supplémentaires de chimie quantique de haut niveau, en collaboration avec Todd J. Martinez de l'Université de Stanford, prédire la structure et les propriétés électroniques qui entrent dans les simulations d'espace de phase pour modéliser le processus d'interférence.

"Notre nouvelle technique permettra des études détaillées des propriétés quantiques des biomolécules et elle ouvre la voie à un nouveau type de spectroscopie optique de molécules biologiquement pertinentes, " dit Shayeghi.