叶子中的量子物理？科学家发现光合作用与“物质第五态”之间的联系

科学家们发现，自然光合作用表现出与激子凝聚相似的特征——一种无摩擦的能量状态，通常需要极低的温度。这种见解可能会改进技术设计，潜在地使能源效率翻倍。

在实验室里，科学家们惊奇地发现，当原子冷却到接近绝对零度时，会形成一种奇怪的状态。与此同时，就在他们的窗外，树木正在吸收阳光并将其转化为新叶。这两种情况似乎完全无关，但芝加哥大学最近的一项研究表明，这些过程并不像表面上看起来那么明显。

发表在《PRX能源》杂志上的这项研究在原子水平上建立了光合作用过程和激子凝聚之间的联系，激子凝聚是一种奇怪的物理状态，允许能量在材料中无摩擦地流动。根据作者的说法，这一发现不仅从科学的角度来看是迷人的，而且还可能为电子设计提供新的视角。

“据我们所知，这些领域以前从未联系过，所以我们发现这非常引人注目和令人兴奋，”研究合著者大卫·马齐奥蒂教授说。

Mazziotti的实验室专门研究原子和分子之间复杂的相互作用，因为它们显示出有趣的特性。用肉眼是无法看到这些相互作用的，所以计算机建模可以为科学家提供一个了解行为发生原因的窗口，也可以为设计未来的技术提供基础。

特别是，Mazziotti和研究的合著者Anna Schouten和LeeAnn Sager-Smith一直在模拟光合作用发生时在分子水平上发生的事情。

当来自太阳的光子照射到叶子上时，它会在一种特殊设计的分子中引发变化。能量释放出一个电子。电子和它曾经所在的“空穴”现在可以在叶子周围移动，将太阳的能量带到另一个区域，在那里它引发化学反应，为植物制造糖。

电子和空穴对一起被称为“激子”。当团队鸟瞰并模拟多个激子如何移动时，他们注意到一些奇怪的事情。他们在激子的路径中看到了非常熟悉的模式。

事实上，它看起来非常像一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚物的物质的行为，有时被称为“物质的第五态”。“在这种材料中，激子可以连接成相同的量子态——就像一组铃声一样，所有的铃声都完美地响起。”这使得能量可以零摩擦地在材料周围移动。(这些奇怪的行为引起了科学家们的兴趣，因为它们可能是非凡技术的种子——例如，一种类似的被称为超导的状态是核磁共振成像机器的基础)。

根据Schouten, Sager-Smith和Mazziotti创建的模型，叶子中的激子有时可以以类似于激子凝聚行为的方式连接起来。

这是一个巨大的惊喜。激子凝聚只有在材料冷却到明显低于室温时才会出现。这有点像在一杯热咖啡中看到冰块形成。

“光合作用的光收集是在室温下的系统中进行的，而且，它的结构是无序的——与你用来制造激子凝聚物的原始结晶材料和低温非常不同，”Schouten解释说。

科学家们说，这种影响并不是完全的，它更类似于凝析物形成的“岛屿”。“但这仍然足以增强系统中的能量传递，”Sager-Smith说。事实上，他们的模型表明，它可以将效率提高一倍。

Mazziotti说，这为未来技术生产合成材料开辟了一些新的可能性。“一个完美的理想激子凝聚体是敏感的，需要很多特殊的条件，但对于实际应用来说，看到一些可以在环境条件下提高效率的东西是令人兴奋的。”

Mazziotti说，这一发现也符合他的团队十年来一直在探索的更广泛的方法。

在光合作用等过程中，原子和分子之间的相互作用是极其复杂的——即使是超级计算机也很难处理——因此，科学家们传统上不得不简化他们的模型，以便掌握它们。但Mazziotti认为有些部分需要保留:“我们认为电子的局部相关对于捕捉大自然的实际运作方式至关重要。”

参考文献:Anna O. Schouten, LeeAnn M. Sager-Smith和David A. Mazziotti的“光收集中类似激子凝聚的能量传输放大”，2023年4月28日，PRX Energy。DOI: 10.1103 / PRXEnergy.2.023002