Квантовий секрет природи: виявлено зв’язок між фотосинтезом і «п’ятим станом матерії»

Вчені з Чиказького університету виявили зв’язок між фотосинтезом і екситонними конденсатами, фізичним станом, який дозволяє енергії текти без тертя. Ця дивовижна знахідка, як правило, пов’язана з матеріалами, температура яких значно нижча від кімнатної, може стати основою для майбутнього електронного дизайну та допомогти розгадати складні атомні взаємодії.

Усередині лабораторії вчені дивуються дивному стану, який утворюється, коли вони охолоджують атоми майже до абсолютного нуля. За своїм вікном дерева збирають сонячне світло і перетворюють його на нове листя. Ці два здаються не пов’язаними, але нове дослідження Чиказького університету показує, що ці процеси не такі вже й різні, як може здатися на поверхні.

Дослідження, опубліковане в  PRX Energy  28 квітня, виявило зв’язки на атомному рівні між фотосинтезом і екситонними конденсатами — дивним фізичним станом, який дозволяє енергії без тертя протікати через матеріал. За словами авторів, ця знахідка є науково інтригуючою та може запропонувати нові шляхи мислення щодо розробки електроніки.

«Наскільки нам відомо, ці області ніколи раніше не були пов’язані, тому ми знайшли це дуже переконливим і захоплюючим», — сказав співавтор дослідження професор Девід Мацціотті.

Лабораторія Мацціотті спеціалізується на моделюванні складних взаємодій атомів і молекул, оскільки вони демонструють цікаві властивості. Неможливо побачити ці взаємодії неозброєним оком, тому комп’ютерне моделювання може дати вченим вікно в те,  чому  така поведінка відбувається, а також може стати основою для розробки майбутніх технологій.

Зокрема, Мазіотті та співавтори дослідження Анна Шоутен і ЛіЕнн Сагер-Сміт моделювали те, що відбувається на молекулярному рівні, коли відбувається фотосинтез. Коли фотон від сонця потрапляє на листок, він викликає зміни в спеціально розробленій молекулі. Енергія вибиває електрон. Електрон і «дірка», де вона була раніше, тепер можуть подорожувати навколо листка, переносячи енергію сонця в іншу область, де вона запускає хімічну реакцію з утворення цукру для рослини.

Разом ця пара електронів і дірок, що рухаються, називається «екситоном». Коли команда дослідників з висоти пташиного польоту змоделювала рух кількох екситонів, вони помітили щось дивне. Вони побачили візерунки на шляху екситонів, які виглядали напрочуд знайомими.

Насправді це було дуже схоже на поведінку матеріалу, відомого як конденсат Бозе-Ейнштейна, який іноді називають «п’ятим станом матерії». У цьому матеріалі екситони можуть з’єднуватися в один і той самий квантовий стан — щось на зразок набору дзвонів, які дзвонять ідеально в гармонії. Це дозволяє енергії рухатися навколо матеріалу без тертя. (Ці види дивної поведінки інтригують вчених, тому що вони можуть стати зародком для чудової технології — наприклад, подібний стан, який називається надпровідністю, є основою для машин МРТ).