芝加哥大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了光合作用和激子凝聚體之間的聯(lián)系，這是一種允許能量在沒有摩擦的情況下流動的物理學(xué)狀態(tài)。這一令人驚訝的發(fā)現(xiàn)，通常與遠(yuǎn)低于室溫的材料有關(guān)，可能為未來的電子設(shè)計(jì)提供信息，并幫助解開復(fù)雜的原子相互作用。

在一個實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家們驚嘆于當(dāng)他們將原子冷卻到接近絕對零度時形成的一種奇怪狀態(tài)。在他們的窗外，樹木收集陽光并將其轉(zhuǎn)化為新葉。這兩者似乎毫無關(guān)聯(lián)--但芝加哥大學(xué)的一項(xiàng)新研究表明，這些過程并不像表面上看起來那么不同。

4月28日發(fā)表在《PRX能源》上的這項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，光合作用和激子凝聚物之間在原子水平上存在聯(lián)系--這是一種奇怪的物理狀態(tài)，允許能量無摩擦地流經(jīng)一種材料。作者說，這一發(fā)現(xiàn)在科學(xué)上是引人入勝的，并可能為設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品提出新的思路。

研究報告的共同作者David Mazziotti教授說："據(jù)我們所知，這些領(lǐng)域以前從未被聯(lián)系起來，所以我們發(fā)現(xiàn)這非常引人注目和令人興奮。"

Mazziotti的實(shí)驗(yàn)室專門研究原子和分子的復(fù)雜相互作用的模型，因?yàn)樗鼈冿@示出有趣的特性。沒有辦法用肉眼看到這些相互作用，所以計(jì)算機(jī)建模可以給科學(xué)家提供一個窗口，了解這些行為發(fā)生的原因--也可以為設(shè)計(jì)未來的技術(shù)提供一個基礎(chǔ)。

特別是，Mazziotti和研究的共同作者Anna Schouten和LeeAnn Sager-Smith一直在模擬光合作用發(fā)生時在分子水平上發(fā)生的情況。

當(dāng)來自太陽的光子照射到一片葉子上時，它在一個特別設(shè)計(jì)的分子中引發(fā)了變化。能量擊碎了一個電子。這個電子和它曾經(jīng)所在的"洞"現(xiàn)在可以在葉子周圍旅行，把太陽的能量帶到另一個區(qū)域，在那里引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，為植物制造糖分。

這種移動的電子和空穴對被稱為"激子"。當(dāng)研究小組以鳥瞰的方式模擬多個激子如何移動時，他們注意到一些奇怪的現(xiàn)象。他們在激子的路徑上看到了看起來非常熟悉的模式。

事實(shí)上，它看起來非常像一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚物的材料中的行為，有時被稱為"物質(zhì)的第五態(tài)"。在這種材料中，激子可以連接成相同的量子狀態(tài)，就像一組鈴鐺都在完美地敲響。這允許能量以零摩擦在材料中移動。(這些奇怪的行為讓科學(xué)家們感到好奇，因?yàn)樗鼈兛梢猿蔀樽吭郊夹g(shù)的種子--例如，一種叫做超導(dǎo)的類似狀態(tài)是核磁共振機(jī)器的基礎(chǔ)）。

他們在激子的路徑中看到的模式看起來非常熟悉。

根據(jù)Schouten、Sager-Smith和Mazziotti創(chuàng)建的模型，葉子中的激子有時可以以類似激子凝聚物行為的方式連接起來。只有當(dāng)材料被冷卻到明顯低于室溫時，才會看到激子凝聚物。這就有點(diǎn)像在一杯熱咖啡中看到冰塊的形成。

Schouten解釋說："光合作用采光是在一個處于室溫的系統(tǒng)中進(jìn)行的，更重要的是，它的結(jié)構(gòu)被破壞了--與用來制造激子凝聚物的原始結(jié)晶材料和低溫非常不同。"

科學(xué)家們說，這種效應(yīng)并不完全是--它更像是形成凝結(jié)物的"島嶼"，但這仍然足以增強(qiáng)系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)移。事實(shí)上，他們的模型表明，它的效率可以提高一倍之多。

Mazziotti說，這為生成未來技術(shù)的合成材料提供了一些新的可能性。"一個完美的理想激子凝結(jié)物是敏感的，需要很多特殊的條件，但是對于現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用來說，看到一些能提升效率但能在環(huán)境條件下發(fā)生的事情是令人興奮的。"這一發(fā)現(xiàn)也與他的團(tuán)隊(duì)十年來一直在探索的一個更廣泛的方法有關(guān)。

在光合作用等過程中，原子和分子之間的相互作用是非常復(fù)雜的，甚至對超級計(jì)算機(jī)來說都很難處理，因此科學(xué)家們傳統(tǒng)上不得不簡化他們的模型，以便掌握它們。但是Mazziotti認(rèn)為有些部分需要被保留下來："我們認(rèn)為電子的局部關(guān)聯(lián)對于捕捉自然界的實(shí)際運(yùn)作方式至關(guān)重要。"