Des expériences portant directement sur la dynamique de l’ionisation par effet tunnel ont permis de découvrir que les électrons se comportent différemment lors de l’effet tunnel quantique à partir d’une molécule, en fonction de la chiralité de cette dernière (la chiralité désigne la « main » des stéréoisomères non superposables d’une molécule, de la même manière qu’une main gauche ne peut être superposée à une main droite, même si elles sont des images miroir l’une de l’autre). La projection du spin de l’électron sur la direction de sa quantité de mouvement, appelée couplage spin-orbite, affecte fortement la probabilité d’effet tunnel entre les molécules chirales du système biologique. Ce phénomène d’amélioration de la conduction électronique en fonction de l’orientation du spin de l’électron est connu sous le nom de sélectivité du spin induite par la chiralité (CISS). Des études antérieures ont montré que la géométrie hélicoïdale présente dans de nombreuses biomolécules, comme l’ADN et les hélices alpha des protéines, induit un filtrage robuste du spin accompagné d’une transmission fortement améliorée et intimement liée à celle-ci. De nouvelles recherches portant sur la dynamique de l’effet tunnel des électrons à l’échelle de l’attoseconde ont permis de découvrir que la probabilité qu’un électron subisse un effet tunnel, la phase à laquelle le paquet d’ondes électroniques s’échappe et le moment de l’effet tunnel dépendent de la chiralité de la molécule. Ces résultats passionnants jettent les bases d’études supplémentaires qui utiliseront les propriétés uniques de symétrie des molécules chirales pour étudier les processus les plus rapides se produisant dans l’interaction lumière-matière et pourraient expliquer l’origine et la raison de la « handedness » ou chiralité spécifique qui caractérise le système biologique.
Les chimistes et les biologistes moléculaires utilisent l’expression « chiralité » pour décrire les molécules qui se caractérisent par un type particulier d’asymétrie : elles sont soit « gauchères », soit « droitières ». Comme ces descripteurs l’indiquent, vos mains sont un excellent exemple de la propriété de chiralité. Si vous regardez vos deux mains, paumes vers le haut, vous pouvez voir qu’elles sont des images miroir l’une de l’autre. Mais si vous essayez de les superposer l’une sur l’autre, en gardant la paume vers le haut et en les plaçant l’une sur l’autre, vous verrez qu’elles ne se chevauchent pas ou ne correspondent pas complètement. Il s’agit de la chiralité, vos mains sont comme des stéréoisomères énantiomères l’un de l’autre – des images miroir l’une de l’autre qui ne sont pas superposables – et de tels objets, contenant la « chiralité », peuvent être trouvés à toutes les échelles dans la nature, des galaxies jusqu’aux molécules.
La « main » dans l’univers joue un rôle dans tous les domaines, depuis les violations de parité de la force faible – les particules subatomiques impliquées dans la force nucléaire faible, qui provoque la désintégration nucléaire, sont toujours orientées magnétiquement dans la direction opposée à celle dans laquelle elles se déplacent, de sorte qu’elles tournent en spirale comme les filets d’une vis de gaucher, alors que les particules de l’image miroir, celles qui sont comme des vis de droitier, ne ressentent pas la force faible – jusqu’à des études récentes qui ont même trouvé une asymétrie entre les galaxies « gauchères » et les galaxies « droitières ». De telles asymétries, ou violations de la parité entre les configurations de miroir, seraient même à l’origine de la différence apparente entre l’abondance de la matière et celle de l’antimatière. La chiralité est présente dans la nature à toutes les échelles, et l’on découvre que le fait d’être droitier peut affecter le comportement de ces configurations en miroir des systèmes.
À un niveau plus quotidien, nous faisons l’expérience de la chiralité tous les jours, non seulement lorsque nous saisissons un objet ou mettons nos chaussures (en raison de notre chiralité anatomique), mais aussi lorsque nous mangeons ou respirons, car nos récepteurs gustatifs et olfactifs réagissent différemment à deux images miroir d’une molécule chirale. Et il ne s’agit pas seulement du goût, de l’odorat ou de la conduction nerveuse : de nombreuses molécules qui pénètrent dans notre corps se comportent différemment en fonction de leur chiralité. Par exemple, alors que les polypeptides et l’ADN sont normalement constitués d’acides aminés L et d’acides nucléiques D, les acides aminés droitiers et les acides nucléiques gauchers fonctionneront comme des molécules de signalisation mais ne seront pas du tout reconnus pour les protéines ou le code de l’ADN. L’importance de la chiralité est telle qu’une molécule dans une orientation peut être un remède, tandis que son stéréoisomère miroir est un poison. La chiralité est donc cruciale en pharmacologie, où 90 % des médicaments synthétisés sont des composés chiraux. Et comme nous le verrons ici, les molécules chirales possèdent des propriétés de symétrie qui en font des candidats de choix pour l’étude de phénomènes fondamentaux en physique.
Spin et conduction des électrons dans le système biologique
La fonctionnalité de nombreux systèmes biologiques dépend d’un transfert d’électrons fiable avec un échauffement minimal : si le transport cohérent et robuste d’électrons entre les biomolécules générait de la chaleur, cela entraînerait rapidement la mort de la cellule, car des changements de température de quelques degrés provoquent une dénaturation – une déformation structurelle irréversible des protéines. Ainsi, le système biologique transporte les électrons avec une efficacité proche de 100 %, sans perte d’énergie par dissipation thermique. Comment cela est-il possible dans le système biologique, où de nombreuses biomolécules sont des isolants et où il existe des forces dissipatives conventionnelles telles que les fortes vibrations moléculaires ? Contrairement aux circuits électriques fabriqués par l’homme, la nature réalise le transport d’électrons par effet tunnel quantique entre des molécules chirales isolantes, et des études ont commencé à révéler de nombreux mécanismes impliqués dans la sélectivité de spin induite par la chiralité.
Par exemple, une étude a montré que le CISS est renforcé dans les nombreuses molécules hélicoïdales que l’on trouve dans tout le système biologique, comme l’ADN et les hélices alpha des protéines [1]. Les expériences ont révélé que le transport à travers ces molécules en forme d’hélice dépend fortement du spin de l’électron. Les tentatives théoriques pour expliquer cet effet reposent sur un couplage spin-orbite important, qui n’est pas courant dans les matériaux organiques. Il a été démontré que la géométrie hélicoïdale de nombreuses biomolécules induit des corrélations entre le spin des électrons transférés et la direction de leur flux. Dans le régime d’effet tunnel, ces connexions peuvent expliquer la grande polarisation du spin mesurée dans les expériences sur une plage d’énergie de plusieurs centaines de meV, ainsi que la transmission améliorée à travers les molécules chirales. La directionnalité générée par le verrouillage du spin et de la quantité de mouvement des électrons peut être la clé pour comprendre la dissipation extrêmement faible du transfert électrique à travers les molécules organiques en dépit des fortes vibrations moléculaires.
Outre la réponse à certaines des questions les plus intrigantes de la biologie, telles que l’origine et la raison d’être de la « main » spécifique – où seuls les acides aminés gauches et les acides nucléiques droits sont utilisés – cela a des implications significatives pour les applications technologiques, telles que l’informatique spintronique et les nanotechnologies. L’un des principaux défis du développement de dispositifs électroniques à l’échelle nanométrique est de minimiser l’échauffement. Dans les puces électroniques à base de silicium, la dissipation est le principal obstacle au respect de la loi de Moore. Il est évident que l’ingénierie inverse de la capacité du système biologique à faire cela pourrait être la clé, car nous avons vu que le transport d’électrons par tunnel quantique, qui est actuellement exploré comme une voie pour réduire l’échauffement dans les dispositifs à semi-conducteurs, a été mis en œuvre depuis longtemps dans la nature.
Il est intéressant de noter qu’alors que le système vivant exploite depuis des milliards d’années le spin des électrons pour assurer une conduction efficace à près de 100 % à travers des biomolécules chirales isolantes, les physiciens du paradigme conventionnel du modèle standard débattent toujours de la question de savoir si les électrons tournent vraiment. Un physicien conventionnel vous dira que bien que les électrons aient une propriété appelée « spin », ils ne tournent pas physiquement. Si c’était le cas, il n’y aurait pas d’expériences montrant l’importance du couplage spin-orbite, de la chiralité moléculaire et de l’hélicité dans la conduction des électrons au sein des biomolécules. En effet, des considérations de ce type ont conduit les physiciens à poser l’hypothèse que les électrons doivent réellement, physiquement, tourner. Chris Sebens, professeur adjoint de philosophie à Caltech, a résolu bon nombre des problèmes associés au spin des électrons en postulant qu’ils ressemblent davantage à un champ qu’à une particule [2] – la même solution que les physiciens Nassim Haramein ont élucidée pour résoudre le problème de la masse des électrons [3].
Chris Sebens a utilisé ses solutions pour résoudre de nombreux problèmes liés à la modélisation de l’électron en tant que particule ponctuelle (sans spin), tels que le rapport gyromagnétique, l’auto-répulsion et les problèmes de charge nue infinie [4]. Alors que les questions fondamentales concernant la nature de l’électron sont toujours en cours de résolution, d’autres comportements très importants sont mieux caractérisés, comme l’influence du spin de l’électron et de la chiralité moléculaire sur la dynamique de l’effet tunnel. Pour mieux comprendre l’interaction et le couplage du spin de l’électron avec des champs polarisés et des molécules chirales – ce qui est important pour comprendre la conduction balistique de l’électron CISS dans le système biologique – une étude récente a examiné la relation entre l’orientation du spin d’un électron et la « chiralité » des molécules chirales pour déterminer si le comportement quantique de l’effet tunnel est modifié.
Étude de la dynamique de l’effet tunnel quantique dans le régime de l’attoseconde
En utilisant une résolution à l’échelle de l’attoseconde de la dynamique de l’effet tunnel, des équipes de recherche dirigées par le professeur Yann Mairesse du CNRS/Université de Bordeaux et le professeur Nirit Dudovich du département de physique des systèmes complexes de l’Institut Weizmann ont découvert que les électrons se comportaient différemment lors de l’effet tunnel quantique à travers des molécules chirales ou un champ de lumière polarisée, et que les interactions chirales entre la lumière et la matière induisaient en fait un modelage subtil, dépendant de l’angle, de l’amplitude et de la phase des paquets d’ondes électroniques de l’effet tunnel [5].
L’effet tunnel est un phénomène par lequel des particules quantiques traversent des barrières physiques ou énergétiques apparemment impossibles à franchir. Comme ce mouvement est interdit par la mécanique classique, il est très difficile de se faire une idée intuitive de sa dynamique (voir nos articles originaux d‘ISF sur ER=EPR pour comprendre ce qui se passe physiquement lors de l’effet tunnel quantique). Pour créer un tunnel dans des molécules chirales, les chercheurs les ont exposées à un champ laser intense. L’un des chercheurs principaux a expliqué que « les électrons des molécules sont naturellement liés aux noyaux par une barrière énergétique » et « on peut imaginer les électrons comme de l’air piégé dans un ballon gonflable ». Les champs laser puissants ont la capacité de réduire l’épaisseur du ballon suffisamment pour qu’une partie de l’air passe au travers, même s’il n’y a pas de trou dans le ballon ».
Mairesse, Dudovich et leurs équipes ont entrepris d’étudier le lien entre la chiralité et l’effet tunnel, un aspect encore inexploré du processus d’effet tunnel. L’équipe a étudié la manière dont la brève rencontre d’une molécule chirale avec un champ lumineux chiral affecte l’effet tunnel des électrons. Comme il ne faut que quelques centaines d’attosecondes pour qu’un électron s’échappe d’un atome ou d’une molécule, l’équipe a utilisé une « technique d’attoclock » ultraprécise utilisant des mesures de champ laser pour caractériser le comportement de l’effet tunnel.
Comme le décrivent les chercheurs, pour poursuivre la métaphore du ballon, si le champ laser tourne horizontalement, on s’attendrait à ce que l’air sorte du ballon sur le plan horizontal, en suivant la direction du champ laser. Or, l’équipe a découvert que si le ballon est chiral, l’air sort du ballon en volant vers le sol ou le plafond, selon le sens de rotation du laser. En d’autres termes, les électrons sortent du tunnel chiral en se souvenant du sens de rotation de la barrière.
Cela ressemble beaucoup à l’effet d’un tire-bouchon, mais à l’échelle du nanomètre et de l’attoseconde – une autre démonstration de l’importance de l’hélicité dans les biomolécules et des propriétés de conduction électronique et de couplage spin-orbite qui leur sont associées. Les équipes de chercheurs ont donc découvert que la probabilité qu’un paquet d’ondes électroniques subisse un effet tunnel dépend de la chiralité de la molécule, ce qui suggère que la forte présence de chiralité dans le système biologique est une réponse adaptative visant à faciliter et à améliorer l’effet tunnel des électrons pour une conduction électronique balistique avec peu ou pas de dissipation d’énergie et de production de chaleur excédentaire.
Références
[1] Karen Michaeli and Ron Naaman, Origin of Spin-Dependent Tunneling Through Chiral Molecules, The Journal of Physical Chemistry C 2019 123 (27), 17043-17048. DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b05020
[2] Charles T. Sebens, The fundamentality of fields, Synthese (2022). DOI: 10.1007/s11229-022-03844-2
[3] Val baker, A.K.F, Haramein, N. and Alirol, O. (2019). The Electron and the Holographic Mass Solution, Physics Essays, Vol 32, Pages 255-262.
[4] Charles T. Sebens, Eliminating Electron Self-Repulsion, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2206.09472
[5] E. Bloch et al, Revealing the Influence of Molecular Chirality on Tunnel-Ionization Dynamics, Physical Review X (2021). DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041056
