In het laboratorium van de Universiteit van Californië in Los Angeles hielp een gewoon aminozuur onverwacht een kwantummateriaal om een bijzonder geordend gedrag van elektronen te behouden bij een temperatuur die voorheen als onbereikbaar werd beschouwd. Het gaat om tantaaldisulfide — een materiaal van ultradunne lagen van slechts drie atomen dik. Bij extreme kou ontstaat daarin een zogenoemde commensurabele ladingsdichtheidsgolf: de elektronen bewegen niet chaotisch, maar in onderling afgestemde samenhang, waarbij zij het patroon van het kristalrooster volgen.
Gewoonlijk verdwijnt zo'n kwantumtoestand zodra de temperatuur boven min 57 °C stijgt. Thermische trillingen van de atomen breken de kwetsbare orde snel af. Onder leiding van Xiangfeng Duan voegden wetenschappers aan de lagen tantaaldisulfide moleculen arginine toe — een van de twintig standaardaminozuren waaruit eiwitten zijn opgebouwd. Het resultaat was verbluffend: de geordende beweging van de elektronen bleef behouden tot plus 57 °C.
Arginine paste op het kristalrooster van tantaaldisulfide als een perfect puzzelstukje. De grootte en de ladingsverdeling ervan kwamen precies overeen met de tussenruimtes tussen de lagen van het materiaal. Twee andere onderzochte aminozuren gaven dit effect niet. Computerberekeningen bevestigden het: juist de geometrische en elektronische „overeenkomst” stabiliseert de kwantumtoestand bij kamertemperatuur en zelfs bij verhoogde temperatuur.
De ontdekking is niet alleen belangrijk voor de fundamentele wetenschap. De geordende beweging van elektronen in zulke materialen kan worden gebruikt voor het maken van een energiezuinig geheugen van een nieuw type, waarbij informatie niet in een gewone lading wordt opgeslagen, maar in kwantumeigenschappen. Voorlopig is dit slechts een perspectief, maar de methode — het gebruik van moleculen van het leven om anorganische kristallen af te stemmen — opent een nieuwe weg in het ontwerp van kwantummaterialen.
De onderzoekers zijn van plan andere moleculen te testen en te achterhalen of op dezelfde manier supergeleiding of andere kwantumeffecten kunnen worden gestabiliseerd. Als de aanpak werkt, kunnen wetenschappers in plaats van nieuwe exotische verbindingen te zoeken, bekende organische „sleutels” kiezen die passen op de gewenste anorganische „sloten”.
Een eenvoudig aminozuur dat vroeger alleen met biologie werd geassocieerd, helpt de kwantumfysica nu om de grenzen van cryogene laboratoria te overschrijden.
