Procese cheie ale fotosintezei simulate la nivel cuantic

0

Prin realizarea unui sistem cuantic artificial, fizicieni de la Heidelberg University au reusit sa simuleze procesele cheie ale fotosintezei la nivel cuantic, cu o rezolutie temporala si spatiala extraordinara. In experimentul lor, in care au folosit atomi Rydberg, echipa condusa de Prof. Dr. Matthias Weidemüller si Dr. Shannon Whitlock a descoperit noi proprietati ale procesului de transport al energiei. Acesta este un pas extrem de important catre gasirea raspunsului la intrebarea cum poate contribui fizica cuantica la eficientizarea conversiei energiei in sistemele artificiale, precum celulele fotovoltaice de exemplu.

Aceste noi descoperiri, facute la Center for Quantum Dynamics si the Institute for Physics de la Heidelberg University, au fost publicate in revista Science.

In cadrul cercetarilor lor, Prof. Weidemüller si echipa sa au inceputde la intrebarea cum poate fi colectata in mod eficient energia luminoasa si convertita intr-o alta parte intr-o alta forma de energie, de exemplu in energie chimica sau electrica. Natura are un mod extraordinar de eficient de a realiza acest proces prin fotosinteza. Energia luminoasa este initial absorbita in complexele ce recolteaza lumina – o zona de membrane proteice – si apoi este transportata catre un centru de reactii moleculare prin structuri denumite nano-antene; la centru de reactii, lumina este transformata secvential in energie chimica. „Acest proces este foarte aproape de eficienta 100%. In ciuda cercetarilor intense, inca nu reusim sa intelegem ce mecanisme sunt responsabile pentru aceasta eficienta extraordinara”, spune Prof. Weidemüller. In urma ultimelor descoperiri rezultate din cercetare, oamenii de stiinta presupun ca efecte cuantice precum entanglementul, acolo unde obiecte separate de spatiu fizic se influenteaza unele pe celelalte, joaca un rol important.

In cadrul experimentului realizat, cercetatorii au folosit un gaz format din atomi raciti la o temperatura apropiata de zero absolut. Unii atomi au fost excitati cu un laser, pentru a atinge o stare puternic incarcata electric. Electronul excitat ai acestori „giganti de gaz”, cum mai sunt cunoscuti atomii Rydberg, este separat de o distanta macroscopica de aproximativ grosimea unui fir de par, de nucleul atomului. De aceea, acesti atomi sunt sistemul ideal pentru a studia fenomenul tranzitiilor dintre nivelul macroscopic, al lumii clasice si zona micrscopica, cuantica. La fel ca in cazul complexelor de recoltare a luminii din procesul de fotosinteza, energia este transportat de la un atom Rydberg la un alt atom Rydberg, fiecare atom transmitand pachetele de energie catre atomii inconjuratori, similar unor transmisii de unde radio.

„Pentru a reusi observarea procesului de transport al energiei, a trebuit mai intai sa creem atomii Rydberg. In acel moment era imposibil sa detectam acesti atomi folosind un microscop”, explica Georg Günter, student doctorand in echipa Prof. Weidemüller’s. Un truc imprumutat din optica cuantica a asigurat faptul ca pana la 50 de atomi dintr-o sfera cu raza caracteristica unui atom Rydberg au putut absorbi lumina laser. In acest fel, fiecare atom Rydberg creaza o foarte mica umbra in imaginea micrscopica, permitand cercetatorilor sa masoare pozitia acestor atomi Rydberg.

Faptul ca aceasta tehnica ne-a permis sa observam si transportul energiei a fost o surpiza, dupa cum subliniaza studenta doctorand Hanna Schempp. Totusi, investigatiile folosind „gigantii atomici” a relevat excitatiile Rydberg, care s-a difuzat intr-o mare de atomi, pornind de la pozitia lor originara catre vecinii lor atomici, in mod similar cu imprastierea unei cerneli in apa. Ajutati de catre un model matematic, echipa Prof. Weidemüller a demonstrat ca supa de atomi influenteaza in mod definitoriu transportul energiei de la un atom Rydberg catre altul.

„Acum suntem in postura favorabila de a putea controla sistemul cuantic si de a studia tranzitia de la transportul difuz catre transportul coerent la nivel cuantic. In aceasta forma speciala de transport al energiei, aceasta nu este localizata la nivelul unui singur atom ci catre mai multi atomi in acelasi timp”, explica Prof. Weidemüller. Precum in cazul complexelor de recoltare al luminii din cadrul procesului de fotosinteza, intrebarea principala va fi cum influenteaza mediul eficienta transportului energiei si daca se poate imbunatati eficienta acestuia prin exploatarea efectelor cuantice. „In acest fel speram sa castigam noi intelegeri ale modului in care se poate optimiza transportul energiei in cadrul altor sisteme artificiale, precum in cazul celulelor fotovoltaice”, explica fizicienii de la Heidelberg.

sursa: 

Află cum să scapi de oboseală și să-ți crești nivelul de vitalitate

Share.

About Author

Razvan este arhitect, ca si formare, un spirit-ghid, ca si chemare.

Leave A Reply

Citește articolul precedent:
Noi reusite ale simulatorului cuantic: „Atunci cand atomii ultra-raciti pot fi orice”

Pentru prima data, o echipa internationala de cerectatori de la Universitatile din Stuttgart, Innsbruck si Nottingham a reusit sa descrie o...

Închide