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今までの概念を覆す!量子波のように振る舞う天然生体分子を発見!

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本記事は、Physicists Observe The First Natural Biomolecule Behaving Like A Quantum Wave
翻訳・再構成したものです。
配信元または著者の許可を得て配信しています。

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読了時間 : 約2分1秒

・物理学者が初めて、グラミシジン分子の波動と粒子の二重性を発見しました。

・グラミシジンは15個のアミノ酸で構成されている天然の抗生物質です。

・この発見は、量子生物学の新時代への道を開くものです。

 

量子力学では、物体は波のようにも粒子のようにも動くとされています。この波動と粒子の二元性は、現代物理学の重要な側面となっています。

 

様々な研究で、光や電子のような単一の粒子が、波のように干渉し合うことが証明してきました。すべてのものは量子的な性質を持っているので、それらはすべて特定の波長を持っています。

 

自然を最小のスケールで考える量子の法則に従えば、ミクロの物体も波動と粒子の二重であるはずです。しかし、科学者たちは、大きな物体の波動的性質を測定する方法をまだ見つけられていません。

 

この20年間で、より大きな分子の波動的性質を分析することに成功しました。1999年、物理学者のチームが炭素60分子の波動と粒子の二重性を観測しました。

 

さらに大きな分子で同じ性質を観測したグループもいくつかあります。2019年、あるチームは4万個の中性子、電子、陽子を含む巨大分子の非局在化を発見しました。しかし問題は、それがどこまで大きくできるかです。天然生体分子の量子特性を測定することは可能でしょうか?

 

ウィーン大学の研究者たちがその答えを見つけたようです。グラミシジン分子の量子干渉を初めて観測したのです。グラミシジンは15個のアミノ酸からなる直鎖ペプチドです。

 

グラミシジンAの3D回転画像

 

どのように研究は進められたのか?

グラミシジンにおける波と粒子の二重性を観察するために、研究者たちは超低温グラミシジン分子のビームを作りました。このビームは干渉し合い、生体分子が波動的性質を持つことが明らかとなりました。研究チームは、複雑なセットアップを用いて干渉パターンを解析しました。

 

実験は言うほど簡単ではありません。グラミシジンは非常に壊れやすい抗生物質なので、その分子は簡単にバラバラになってしまいます。そのため、個々の生体分子のビームを作るのはさらに難しくなります。

 

研究者は、回転する輪の縁をグラミシジンの薄い層でコーティングしました。その後、短いレーザーパルス(長さは数フェムト秒)を輪の端に照射し、グラミシジンの分子を(損傷させることなく)表面から削除しました。

研究者からの提供

そして、アルゴン原子のビーム(600m/sで進行)が、350フェムトメートルの波長を持つ自由浮遊生体分子を引き入れます。波動が干渉し合って形成されるパターンを分析するために、研究者たちはタルボ・ラウ干渉計と呼ばれる特殊な技術を用いました。

 

衝撃的な結果が出ました。分子コヒーレンスは、分子サイズの20倍以上にわたって非局在化(電子が一つの原子にとどまらずに分子全体に分布する)しました。この研究で観察されたパターンは、もしグラミシジンの分子が純粋な粒子であったなら、ありえません。これは、グラミシジンが波動と粒子の二重性を持っていることを裏付けています。

 

他の実験でも大きな分子の波動的性質を分析したことはありますが、その時は分子を破壊する方法に頼っていました。一方、この新しい技術は、生体分子の量子的性質や中性生体分子系の光電子特性を研究する新たな道を開きました。

 

この研究により、科学者たちはDNAと酵素の量子的性質を利用した実験を設定することも可能になります。

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