فیزیک کوانتومی در یک برگ؟

منتشر شده در scitechdaily به تاریخ ۱۰ جولای ۲۰۲۳
لینک منبع Quantum Physics in a Leaf? Scientists Discover Link Between Photosynthesis and the “Fifth State of Matter”

دانشمندان دریافتند که فتوسنتز طبیعی ویژگی‌های مشابه میعانات اکسایتون را نشان می‌دهد - یک حالت انرژی بدون اصطکاک، که معمولاً به دمای بسیار پایین نیاز دارد. این بینش ممکن است طراحی فناوری را بهبود بخشد و به طور بالقوه بهره‌وری انرژی را دو برابر کند.

محققان UChicago امیدوارند «جزایر» تراکم اکسایتون بتواند راه را برای اکتشافات جدید هموار کند.

در داخل یک آزمایشگاه، دانشمندان از حالت عجیبی که وقتی اتم‌ها را تا نزدیک به صفر مطلق سرد می‌کنند، به وجود می‌آید شگفت‌زده می‌شوند. در همین حال، درست بیرون پنجره خود، درختان نور خورشید را جذب کرده و آن را به برگ‌های جدید تبدیل می‌کنند. این دو سناریو ممکن است کاملاً نامرتبط به نظر برسند، اما مطالعه اخیر دانشگاه شیکاگو نشان می‌دهد که این فرآیندها آنقدرها که ممکن است در سطح ظاهر شوند متمایز نیستند.

این مطالعه که در ژورنال PRX Energy منتشر شد، ارتباطاتی را در سطح اتمی بین فرآیند فتوسنتز و میعانات اکسایتون برقرار کرد - حالت عجیبی از فیزیک که به انرژی اجازه می‌دهد بدون اصطکاک در یک ماده جریان یابد. به گفته نویسندگان، این کشف نه تنها از منظر علمی جذاب است، بلکه ممکن است دیدگاه‌های جدیدی را برای طراحی الکترونیک ارائه دهد.

پروفسور دیوید مازیوتی، یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «تا آنجا که ما می‌دانیم، این مناطق قبلا هرگز به هم متصل نبوده‌اند، بنابراین ما این موضوع را بسیار جذاب و هیجان‌انگیز یافتیم.»

آزمایشگاه مازیوتی در مدل‌سازی برهم‌کنش‌های پیچیده اتم‌ها و مولکول‌ها تخصص دارد، زیرا خواص جالبی از خود نشان می‌دهند. هیچ راهی برای دیدن این فعل و انفعالات با چشم غیرمسلح وجود ندارد، بنابراین مدل‌سازی رایانه‌ای می‌تواند دریچه‌ای به دانشمندان در مورد اینکه چرا این رفتار اتفاق می‌افتد - و همچنین می‌تواند پایه‌ای برای طراحی فناوری آینده فراهم کند.

به طور خاص، مازیوتی و نویسندگان همکار آنا شوتن و لی آن ساگر اسمیت در حال مدل‌سازی آنچه در سطح مولکولی هنگام فتوسنتز اتفاق می‌افتد، انجام داده‌اند.

هنگامی که یک فوتون از خورشید به برگ برخورد می‌کند، جرقه تغییر در یک مولکول ویژه طراحی شده را ایجاد می‌کند. انرژی یک الکترون را از دست می‌دهد. الکترون، و «حفره» جایی که قبلا بود، اکنون می‌تواند در اطراف برگ حرکت کند و انرژی خورشید را به ناحیه دیگری منتقل کند که در آن واکنش شیمیایی برای تولید قند برای گیاه ایجاد می‌کند.

این جفت الکترون و حفره در حال حرکت با هم به‌عنوان «اکسایتون» شناخته می‌شود. هنگامی که تیم یک منظره چشم پرنده گرفتند و نحوه حرکت چند اکسایتون را مدل کردند، متوجه چیز عجیبی شدند. آن‌ها الگوهایی را در مسیرهای اکسایتون‌ها دیدند که به طرز چشمگیری آشنا به نظر می‌رسید.

در واقع، بسیار شبیه رفتار ماده‌ای بود که به عنوان چگالش بوز-انیشتین شناخته می‌شود، که گاهی اوقات به عنوان «حالت پنجم ماده» شناخته می‌شود. در این ماده، اکسایتون‌ها می‌توانند به همان حالت کوانتومی متصل شوند - نوعی مانند مجموعه‌ای از زنگ‌ها که همه به طور کامل به صدا در می‌آیند. این به انرژی اجازه می‌دهد تا در اطراف ماده با اصطکاک صفر حرکت کند. (این نوع رفتارهای عجیب دانشمندان را مجذوب خود می‌کند زیرا می‌توانند بذرهایی برای فناوری قابل توجه باشند - برای مثال، حالت مشابهی به نام ابررسانایی اساس ماشین‌های MRI است).

بر اساس مدل‌هایی که شوتن، ساگر-اسمیت و مازیوتی ایجاد کرده‌اند، اکسایتون‌های موجود در برگ گاهی اوقات می‌توانند به روش‌هایی شبیه به رفتار میعان اکسایتون به هم متصل شوند.

این یک شگفتی بزرگ بود. میعانات اکسایتون تنها زمانی دیده می‌شوند که مواد به میزان قابل توجهی زیر دمای اتاق خنک شوند. به نوعی شبیه به شکل‌گیری تکه‌های یخ در یک فنجان قهوه داغ است.

شوتن توضیح داد: «برداشت نور فتوسنتزی در سیستمی انجام می‌شود که در دمای اتاق است و علاوه بر این، ساختار آن بی‌نظم است - بسیار بر خلاف مواد متبلور بکر و دماهای سردی که برای ساختن میعانات اکسایتون استفاده می‌کنید.»

به گفته دانشمندان، این اثر کامل نیست - بیشتر شبیه به «جزایر» تشکیل میعانات است. ساگر اسمیت گفت: «اما این با این حال برای افزایش انتقال انرژی در سیستم کافی است.» در واقع، مدل‌های آن‌ها نشان می‌دهد که می‌تواند کارایی آن را دو برابر کند.

مازیوتی گفت که این فرصت‌های جدیدی را برای تولید مواد مصنوعی برای فناوری آینده باز می‌کند. یک میعانات اکسایتون ایده‌آل حساس است و به شرایط خاص زیادی نیاز دارد، اما برای کاربردهای واقعی، دیدن چیزی که کارایی را افزایش می‌دهد اما می‌تواند در شرایط محیطی اتفاق بیفتد، هیجان‌انگیز است.

مازیوتی گفت که این یافته همچنین به رویکرد گسترده‌تری کمک می‌کند که تیم او برای یک دهه در حال بررسی بوده است.

فعل و انفعالات بین اتم‌ها و مولکول‌ها در فرآیندهایی مانند فتوسنتز بسیار پیچیده است – حتی برای یک ابررایانه نیز دشوار است – بنابراین دانشمندان به‌طور سنتی مجبور بوده‌اند مدل‌های خود را ساده‌سازی کنند تا بتوانند به آن‌ها رسیدگی کنند. اما مازیوتی فکر می‌کند که باید برخی از بخش‌ها را رها کرد: «ما فکر می‌کنیم که همبستگی محلی الکترون‌ها برای دریافت چگونگی عملکرد واقعی طبیعت ضروری است.»

این متن با استفاده از ربات ترجمه مقالات فیزیک ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است. در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.