Une biomolécule naturelle a été mesurée agissant comme une onde quantique pour la première fois

L'une des grandes énigmes contre-intuitives de la mécanique quantique est la dualité onde-particule. C'est le phénomène dans lequel les objets se comportent à la fois comme des particules et comme des ondes.

De nombreuses expériences ont montré qu'une seule particule, un électron ou un photon par exemple, peut interférer avec elle-même, comme une onde. L'expérience de la double fente, dans laquelle une particule traverse deux fentes en même temps, est une démonstration célèbre.

Et parce que tous les objets sont fondamentalement de nature quantique, ils ont tous une longueur d'onde associée. Donc, en principe, les objets macroscopiques devraient également montrer ce type de dualité onde-particule, étant donné une expérience suffisamment sensible.

Les physiciens n'ont pas encore trouvé de moyen de mesurer la nature ondulatoire des très grands objets, mais leur ambition à cet égard n'a cessé de croître. En 1999, ils ont démontré la dualité onde-particule des molécules de fullerène. Et d'autres groupes ont depuis fait de même avec des molécules encore plus grosses.

Et cela soulève la question intéressante de savoir jusqu'où ils peuvent aller. Pourraient-ils, par exemple, mesurer les propriétés quantiques des molécules de la vie elle-même ?

Aujourd'hui, ils obtiennent une réponse grâce aux travaux d'Armin Shayeghi de l'Université de Vienne et de quelques collègues qui, pour la première fois, ont démontré une interférence quantique dans les molécules de gramicidine, un antibiotique naturel composé de 15 acides aminés. Leurs travaux ouvrent la voie à l'étude des propriétés quantiques des biomolécules et préparent le terrain pour des expériences qui exploitent la nature quantique des enzymes, de l'ADN et peut-être un jour des formes de vie simples comme les virus.

L'expérience de Shayeghi et co est simple dans son principe. Leur approche consiste à créer un faisceau de molécules de gramicidine ultrafroides puis à mesurer le motif d'interférence créé lorsque ce faisceau interfère avec lui-même. Ce modèle d'interférence est alors une preuve claire de la nature ondulatoire des molécules.

C'est plus facile à dire qu'à faire. Le premier problème est de créer le faisceau de biomolécules individuelles, particulièrement fragiles et faciles à briser.

Shayeghi et co le font en enduisant le bord d'un rouet d'une fine couche de gramicidine. L'équipe déclenche ensuite une série de courtes impulsions laser sur la roue pour faire tomber les molécules de gramicidine de la surface. Les impulsions laser doivent être suffisamment courtes (quelques femtosecondes seulement) pour frapper les biomolécules sans les endommager.

Les molécules de gramicidine flottant librement sont ensuite balayées dans un faisceau d'atomes d'argon se déplaçant à 600 mètres par seconde. Dans ce faisceau, la gramicidine a une longueur d'onde de 350 femtomètres (1 femtomètre vaut 1x10-15 mètres).

La dernière étape consiste à mesurer le motif créé par l'onde interférant avec elle-même.

C'est peut-être la partie la plus difficile. La longueur d'onde du faisceau est d'environ un millième de celle des biomolécules elles-mêmes (mesurée par la proximité avec laquelle elles peuvent se regrouper). L'équipe a donc besoin d'une technique capable de mesurer des modèles à cette échelle.

C'est là qu'intervient l'interférométrie. L'équipe utilise une technique extrêmement sensible connue sous le nom d'interférométrie Talbot-Lau pour mesurer la taille du motif d'interférence.

Et les résultats sont probants. La cohérence moléculaire est délocalisée sur plus de 20 fois la taille moléculaire, disent Shayeghi et co. Ce type de maculage des biomolécules serait impossible si les molécules de gramicidine étaient des particules pures. Cela n'est possible qu'avec des interférences ondulatoires.

D'autres chercheurs ont mesuré la dualité onde-particule pour des molécules plus grosses. Mais ils ont utilisé des techniques qui déchireraient les délicates molécules de la vie. La nouvelle technique permettra une étude plus détaillée des propriétés quantiques des biomolécules.

La réalisation réussie de l'optique quantique avec ce polypeptide en tant que biomolécule prototypique ouvre la voie à la métrologie des molécules assistée par quantique et en particulier à la spectroscopie optique d'une grande classe de molécules biologiquement pertinentes, affirment les chercheurs.

C'est une recherche intéressante avec un potentiel important pour aider à démêler les processus fabuleusement complexes à l'œuvre dans la machinerie de la vie.

Réf : arxiv.org/abs/1910.14538 : Interférence des ondes de matière d'un polypeptide natif

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