Природата използва квантово заплитане за прехвърляне на енергия със светкавична скорост

Фотосинтезата и другите природни процеси зависят от бързото и ефективно движение на енергията между молекулите. Когато слънчевата светлина пада върху листа, енергията трябва да премине през протеиновите структури, преди да бъде съхранена и използвана. В продължение на десетилетия учените се питат дали квантовата механика играе някаква роля за тази удивителна ефективност на фотосинтезата. Изследователи от САЩ са откриха доказателства, че квантовото заплитане наистина ускорява процеса.

Както показват симулациите на екипа от Университета Райс, енергията се пренася по-бързо между молекулните участъци, ако първоначално е в заплетено, делокализирано състояние, а не на едно място. Тези открития биха могли да доведат до нови принципи за проектиране на системи за изкуствена фотосинтеза и по-ефективни соларни технологии, пише IE.

За целите на изследването екипът е изградил опростен молекулен модел, състоящ се от две зони: донорна зона, в която се абсорбира енергията, и акцепторна зона, в която в крайна сметка енергията трябва да постъпи. Енергията се е придвижвала между тези две крайни позиции постепенно: най-често на кратки скокове, но понякога и на дълги скокове. Изследователите взели предвид и влиянието на околната среда, например вибрациите, които могат да попречат или да благоприятстват потока на енергията.

Основният въпрос, който занимава учените, е прост: дали енергията се движи по-бързо, ако първоначално е локализирана на едно място, или ако се разпространява в множество донорни места в квантова суперпозиция?

„Делокализирането на първоначалното възбуждане в множество зони ускорява преноса на енергия, което не може да се постигне, ако се започне от една зона“, казва Гуидо Пагано, съавтор на изследването.

Ученият отбеляза, че това предимство се запазва дори при наличието на външна намеса.

„Началното състояние в една делокализирана квантова система дава на системата повече възможности“, каза той. – Нашето моделиране показва, че тази допълнителна кохерентност осигурява по-бърз трансфер към акцептора, дори при наличието на смущения от околната среда.“

Резултатите за заплетените начални състояния показаха постоянно нарастване на скоростта. Преносът на енергия поддържа по-висока скорост в широк диапазон от взаимодействия. Това означава, че природата може да използва заплитането и кохерентността, за да оптимизира скоростта на пренос на възбуждането, като по този начин увеличи стабилността на процеса.

Ако природните системи използват квантовите ефекти за подобряване на ефективността, те могат да бъдат използвани и от инженерите за създаване на изкуствени системи. Например в новите фотоволтаични клетки кохерентността може да се използва за по-ефективно пренасяне на енергия, намаляване на загубите и подобряване на ефективността.

В същото време група изследователи от Швейцария е разработила нова молекула, която моделира растителната фотосинтеза: когато е изложена на светлина, тя натрупва едновременно два положителни и два отрицателни заряда. Крайната цел на учените е да преобразуват слънчевата светлина в неутрални по отношение на въглерода горива.