Фотосинтез и конденсат Бозе-Эйнштейна: неожиданная связь между жизнью и материей

Ученые из Университета Чикаго установили неожиданную связь между процессом фотосинтеза и так называемым конденсатом Бозе-Эйнштейна — экзотическим состоянием материи, в котором энергия передается без трения. Это открытие может иметь важное значение для разработки новых электронных устройств. Об этом сообщается в журнале PRX Energy.

Фотосинтез — это процесс, при котором растения поглощают солнечный свет и превращают его в органические вещества. Когда фотон от солнца попадает на лист, он вызывает изменение в специальной молекуле. Энергия высвобождает электрон, который может перемещаться по листу, перенося энергию солнца к другой области, где она запускает химическую реакцию по синтезу сахаров для растения.

Электрон и “дырка”, которая осталась на его месте, образуют пару, называемую “экситоном”. Когда ученые моделировали, как множество экситонов движутся по листу, они заметили необычное явление. Они увидели закономерности в траекториях экситонов, которые были очень похожи на поведение материала, известного как конденсат Бозе-Эйнштейна. Это иногда называют “пятым состоянием материи”. В этом материале экситоны могут синхронизироваться в одном квантовом состоянии — как будто набор колоколов звучит в идеальном унисоне. Это позволяет энергии перемещаться по материалу без трения. (Такие странные явления привлекают ученых, потому что они могут быть зародышами удивительных технологий — например, похожее состояние, называемое сверхпроводимостью, лежит в основе МРТ-машин).

По словам авторов исследования, экситоны в листе иногда могут связываться таким же образом, как в конденсате Бозе-Эйнштейна.

Это было огромным сюрпризом. Конденсаты Бозе-Эйнштейна обычно наблюдаются только при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Это было бы как увидеть кубики льда, образующиеся в чашке горячего кофе.

“Фотосинтетическое поглощение света происходит в системе, которая находится при комнатной температуре и имеет неупорядоченную структуру — очень отличную от идеальных кристаллических материалов и холодных температур, которые используются для создания конденсатов Бозе-Эйнштейна”, — пояснила Анна Шаутен, одна из соавторов статьи.

Этот эффект не является полным — это скорее “островки” конденсатов, сказали ученые. “Но этого достаточно, чтобы усилить передачу энергии в системе”, — добавила ЛиАнн Сейджер-Смит, другая соавторка статьи. По их расчетам, это может увеличить эффективность в два раза.

Исследование открывает новые возможности для создания синтетических материалов для будущих технологий, сказал профессор Дэвид Мадзиотти, третий соавтор статьи. “Идеальный конденсат Бозе-Эйнштейна чувствителен и требует множества специальных условий, но для реальных приложений интересно видеть что-то, что повышает эффективность и может происходить в обычных условиях”.

Мадзиотти также отметил, что это открытие вписывается в более широкий подход, который его команда изучает уже десять лет.

Взаимодействия между атомами и молекулами в процессах, таких как фотосинтез, невероятно сложны — даже для суперкомпьютера — поэтому ученые обычно вынуждены упрощать свои модели, чтобы понять их. Но Мадзиотти считает, что некоторые части нужно оставить: “Мы думаем, что локальная корреляция электронов необходима для того, чтобы показать, как на самом деле работает природа”.

Источник: “Exciton-Condensate-Like Amplification of Energy Transport in Light Harvesting” by Anna O. Schouten, LeeAnn M. Sager-Smith and David A. Mazziotti, 28 April 2023, PRX Energy. DOI: 10.1103/PRXEnergy.2.023002