Comment la physique quantique est sur le point de révolutionner la biochimie

L'une des conséquences étranges de la mécanique quantique est le phénomène d'indiscernabilité - que deux particules quantiques peuvent être impossibles à distinguer, même en principe. Cela se produit, en partie, parce qu'il est impossible de déterminer la position précise des particules quantiques. Ainsi, lorsque deux particules interagissent au même endroit, il n'y a aucun moyen de savoir laquelle est laquelle.

Cela donne lieu à un comportement exotique, en particulier à basse température où un grand nombre de particules peuvent se comporter de la même manière. L'indiscernabilité des photons rend les lasers possibles, l'indiscernabilité des noyaux d'hélium-4 à basse température conduit à la superfluidité et l'indiscernabilité d'autres noyaux comme le rubidium conduit aux condensats de Bose-Einstein. L'indiscernabilité est riche en phénomènes mystérieux.

Mais certaines particules quantiques ne sont pas indiscernables de cette manière. Les électrons, par exemple, sont interdits de partager le même état par une loi connue sous le nom de principe d'exclusion de Pauli. Et cela conduit à un autre type de physique. Les interactions entre électrons, régies par ce principe d'exclusion de Pauli, s'appellent la chimie et sont également riches en comportements exotiques.

Les mondes de la chimie et de la physique indiscernable ont longtemps été considérés comme entièrement séparés. L'indiscernabilité se produit généralement à basse température alors que la chimie nécessite des températures relativement élevées où les objets ont tendance à perdre leurs propriétés quantiques. En conséquence, les chimistes se sont longtemps sentis confiants dans l'ignorance des effets de l'indiscernabilité quantique.

Aujourd'hui, Matthew Fisher et Leo Radzihovsky de l'Université de Californie à Santa Barbara affirment que cette confiance est mal placée. Ils montrent pour la première fois que l'indiscernabilité quantique doit jouer un rôle significatif dans certains processus chimiques, même à des températures ordinaires. Et ils disent que cette influence conduit à un phénomène chimique entièrement nouveau, tel que la séparation isotopique et pourrait également expliquer un phénomène auparavant mystérieux tel que l'activité chimique accrue des espèces réactives de l'oxygène.

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En bref, Fisher et Radzihovsky bouleversent la chimie.

La question clé derrière cette nouvelle pensée est de savoir si les propriétés quantiques peuvent vraiment être ignorées dans la plupart des réactions chimiques. Fisher et Radzihovsky disent que s'il est généralement vrai que les propriétés quantiques sont perdues à des températures élevées, certains phénomènes quantiques perdurent.

Ils pointent en particulier la cohérence quantique des noyaux atomiques. Les physiciens savent depuis longtemps que les spins des noyaux peuvent rester cohérents sur des échelles de temps de quelques minutes ou heures. En effet, ils exploitent ce phénomène dans un large éventail d'expériences d'informatique quantique qui s'appuient sur les spins nucléaires pour stocker des informations quantiques.

Il est facile de penser que les spins nucléaires n'ont aucun effet significatif sur la façon dont les électrons interagissent les uns avec les autres dans les réactions chimiques.

Mais ce n'est pas le cas, disent Fisher et Radzihovsky. Les spins nucléaires peuvent facilement être couplés à d'autres états physiques, comme la façon dont une molécule vibre. Lorsque cela se produit, les propriétés d'indiscernabilité qui sont normalement confinées aux noyaux s'échappent et influencent la molécule dans son ensemble.

Fisher et Radzihovsky disent que cela a un effet particulièrement fort sur les petites molécules symétriques, telles que l'eau ou l'hydrogène. La raison en est que lorsque les spins de deux noyaux interagissent, la symétrie dicte qu'ils peuvent prendre certaines configurations mais pas d'autres.

Lorsque cette symétrie s'infiltre dans le monde chimique, cela signifie que la molécule ne peut interagir que dans des situations présentant une symétrie de spin similaire.

Par exemple, une molécule d'hydrogène ou d'eau contient deux noyaux d'hydrogène qui peuvent soit tourner dans le même sens, auquel cas la molécule est appelée ortho-eau, soit dans les sens opposés, auquel cas la molécule est appelée para-eau. Ces différents arrangements d'une même molécule sont appelés isomères de spin.

Cela a des implications sur la façon dont les molécules interagissent les unes avec les autres. Dans de nombreuses réactions chimiques, la façon dont les molécules se verrouillent est importante. Si les molécules ne peuvent pas s'emboîter comme une clé dans une serrure, la réaction ne peut pas se produire.

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Fisher et Radzihovsky montrent que l'indiscernabilité quantique influence la façon dont les molécules s'emboîtent car elle empêche les interactions qui ne correspondent pas à la symétrie des noyaux.

Les chercheurs poursuivent en montrant que cet effet rend les molécules para nettement plus réactives que les molécules ortho, car leur symétrie correspond à celle d'une gamme plus large d'autres molécules.

Un domaine où cela peut jouer un rôle important est la catalyse enzymatique. De nombreuses enzymes dépendent de l'hydrogène pour faire leur travail. Maintenant, Fisher et Radzihovsky montrent que l'indiscernabilité quantique doit avoir une influence significative sur ce processus.

Tester cette prédiction sera délicat. La manière évidente est de mesurer le résultat de la même réaction effectuée avec des versions ortho et para des molécules. Mais c'est plus facile à dire qu'à faire. Les versions ortho et para d'une même molécule sont difficiles à séparer. Les chimistes l'ont atteint pour l'eau pour la première fois seulement en 2014.

Le comportement chimique de l'eau et de l'hydrogène n'est qu'un début. Fisher et Radzihovsky donnent de nombreux exemples d'autres processus chimiques qui devraient également être influencés par l'indiscernabilité quantique. Ceux-ci incluent le fractionnement isotopique pour lequel l'indiscernabilité quantique fournit un nouveau mécanisme, le phénomène explique également l'activité chimique accrue des espèces réactives de l'oxygène et fournit un moyen pour les spins des noyaux d'influencer les molécules biochimiques en général.

Il y a une riche mine de comportements exotiques à étudier ici. Tester ces idées sera difficile, mais les récompenses - une meilleure compréhension de certains des phénomènes biologiques les plus subtils et les plus importants de la chimie - fourniront une motivation substantielle. Attendez-vous à en entendre plus.

Réf : arxiv.org/abs/1707.05320 : Indiscernabilité quantique dans les réactions chimiques

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