植物如何完成量子力学的壮举

现在是北半球的春天，我们周围的世界一片绿色。 在我的窗外，树上长满了叶子，就像微型植物一样，收集阳光并将其转化为食物。 我们知道这种基本交易会发生，但光合作用究竟是如何发生的呢？

在光合作用过程中，植物使用量子力学过程。 为了了解植物如何做到这一点， 芝加哥大学的科学家 他最近模拟了叶子在分子水平上的工作方式。 他们被眼前的景象惊呆了。 事实证明，植物的行为就像一种奇怪的物质第五态，称为玻色-爱因斯坦凝聚态。 更奇怪的是，这些冷凝物通常在接近绝对零的温度下被发现。 他们在一个正常、温和的春日出现在我们身边，这真是一个惊喜。

低能源国家

物质最常见的三种状态是固态、液态和气态。 当增加或减少压力或热量时，物质可以在这些状态之间转变。 我们经常听说等离子体是物质的第四态。 在等离子体中，原子溶解成带正电的离子和带负电的电子的汤。 这通常发生在材料变得太热时。 例如，太阳主要是一个由过热等离子体组成的大球。

如果物质可以非常热，它也可以过冷，导致粒子进入非常低的能量状态。 了解接下来会发生什么需要一些粒子物理学知识。

有两种主要类型的粒子，玻色子和费米子，将它们区分开来的是一种称为自旋的特性——一种与粒子的角动量相关的奇怪的机械特性。 玻色子是具有整数自旋（0、1、2 等）的粒子，而费米子具有半整数自旋（1/2、3/2 等）。 这个属性之前已经描述过了 自旋统计理论，这意味着如果你交换两个玻色子，你将保持相同的波函数。 你不能用费米子做同样的事情。

在 玻色-爱因斯坦冷凝器，物质中的玻色子能量如此之低，以至于它们都处于相同的状态，充当单个粒子。 这允许在宏观尺度上看到量子特性。 A 玻色-爱因斯坦冷凝器 它于 1995 年首次在实验室中创建，温度不超过 170 毫微开尔文。

定量光合作用

现在，让我们来看看典型的叶子在光合作用过程中发生了什么。

植物需要三种基本成分来制造自己的食物——二氧化碳、水和光。 一种叫做叶绿素的色素 它从红色和蓝色波长的光中吸收能量. 它反射其他波长的光，使植物呈现绿色。

在分子水平上，事情变得更加有趣。 吸收的光激发发色团内的电子，发色团是分子的一部分，决定了其反射率或光吸收率。 这开始了一系列连锁反应，最终为植物生产糖分。 芝加哥大学的研究人员使用计算机模型研究了绿色硫细菌（一种光合微生物）中发生的情况。

光激发电子。 现在电子和它留下的空白空间，称为空穴，作为玻色子一起工作。 这种电子-空穴对称为激子。 激子移动到别处传递能量，在那里为有机体制造糖。

“发色团可以以激子的形式将能量在它们之间转移到可以使用能量的相互作用中心，就像一群人将球传给目标一样，”该研究的主要作者 Anna Scottin 向 Big Think 解释道。 .

科学家们发现，局部区域内的激子路径类似于激子冷凝器中的路径——由激子组成的玻色-爱因斯坦凝聚体。 激子电容器面临的挑战是电子和离子往往会快速复合。 一旦发生这种情况，激子就会消失，通常是在电容器形成之前。

在实验室中制造这些冷凝物非常困难，但它们就在科学家眼前，在室温下的混沌有机体中。 通过凝聚形成，激子形成了一个单一的量子态。 本质上，它们就像一个粒子。 这形成了一种超流体——一种没有粘性、没有摩擦的流体——允许能量在发色团之间自由流动。

他们的结果发表在 PRX能源.

混乱的情况

激子通常会很快衰变，当它们衰变时，它们就无法再传输能量。 为了延长它们的寿命，通常需要将它们保持在非常寒冷的环境中。 事实上，激子电容器以前从未见过 高于 100 K 的温度, 这是不冷不热的零下 173 摄氏度。 这就是为什么在正常温度下在真正混乱的系统中看到这种行为是如此令人惊讶。

那么这里发生了什么？ 大自然不断给我们惊喜的另一种方式。

“光合作用在常温下进行，因为大自然必须在常温下工作才能生存，所以这个过程进化到做到这一点，”Schotten 说。

未来，室温玻色-爱因斯坦凝聚体可能会有实际应用。 因为它们像单个原子一样起作用，所以玻色-爱因斯坦凝聚体可以让我们深入了解在原子水平上难以观察到的量子特性。 他们也有应用程序 陀螺仪和 玉米激光和 高精度时间、重力或磁力传感器， 和 更高水平的能源效率和传输.