光合作用使用的過程非常接近玻色愛因斯坦凝聚

你可能會認為，考慮到它是多麼普遍和重要光合作用是的，我們很久以前就發現了它是如何運作的。 相反，該過程的主要部分仍然是個謎。 新的研究表明，其中一個階段與激子凝聚態有相當多的相似之處，而激子凝聚態是物理學家必須竭盡全力在實驗室中生產出來的。

芝加哥大學的 David Mazziotti 教授領導的一個實驗室正在使用電腦建模來嘗試了解原子和分子在重要化學過程中相互作用的方式。 很少有這樣的反應像光合作用，植物和藻類利用陽光的能量來製造糖和澱粉。

這個過程始於光子撞擊葉子中的鬆散電子，使電子和電荷所在的「電洞」穿過髮色團（葉綠素分子），攜帶太陽能。 儘管人們很早就知道這一點，但馬齊奧蒂和同事報告說，電子和電洞的集合並不總是像個體一樣移動。

電子及其電洞統稱為激子，當一起考慮時，它們具有彼此不同的量子特性。 激子是一個玻色子，例如，而電子和電洞分別是費米子。 研究人員對眾多激子的行為進行建模，而不是對每個激子單獨進行建模，他們意識到它們的行為與玻色-愛因斯坦凝聚態有多麼相似，有時被稱為“第五種物質態「繼傳統的固體、液體、氣體和等離子體之後。

玻色愛因斯坦凝聚允許大量原子展示通常只在亞原子層級上才能看到的令人費解的量子行為。 它們不僅可以完全沒有摩擦等普遍現象，而且還可以進行奇怪的量子活動，例如結合波和粒子行為。

為了製造玻色愛因斯坦凝聚，科學家需要將有序材料冷卻到略高於絕對零度的溫度，但植物現在在窗外（如果是白天）正在做類似的事情。 「光合作用光收集是在室溫下的系統中進行的，更重要的是，它的結構是無序的——與用來製造激子凝聚物的原始結晶材料和低溫非常不同，」第一作者研究生Anna Schouten 說。陳述。

這項發現之所以沒有更早被發現，部分原因是植物激子的壽命很短，通常會很快重組。 除了低溫之外，強大的磁場也可以延遲激子復合，但當然，植物也沒有這些。

「據我們所知，[光合作用和激子凝聚]以前從未被聯繫起來，所以我們發現這非常引人注目和令人興奮，」馬齊奧蒂說。

或許更奇怪的是，相當於髮色團的激子不會聚集在一起。 相反，補丁的作者稱之為“島嶼”形式。 然而，這些島嶼並不是無關緊要的好奇心。

激子的葉狀集合； 該論文指出：“可能缺乏與宏觀激子凝聚相關的一些特性，但它可能保留許多優點，包括高效的能量轉移。” 如果是這樣，它將使光合作用更加有效，從而促進生命的豐富和豐富。 事實上，在理想條件下，激子凝聚可以使能量轉移速率比其他情況下的能量轉移速率加倍。

即使是超級電腦也很難對光合作用過程中原子和亞原子行為的複雜性進行建模，因此模型比許多其他科學場景更加簡化。 然而，馬齊奧蒂警告說，激子集體行為是不應被忽視的一件事。 「我們認為電子的局部相關性對於捕捉自然的實際運作方式至關重要，」他說。

該研究是開放取用的PRX能源