#67 Kwanty w Doniczce, czyli Lepsze-bo-z-Kwiatków Ogniwa Słoneczne

W procesie fotosyntezy światło słoneczne jest przechwytywane i transportowane przez ściśle wyspecjalizowane białka będące częścią układu zbierające energię słoneczną. Co zaskakujące, te białka zachowują się jak maszyny kwantowe, ponieważ używają tzw. kwantowo-mechanicznego mechanizmu transportu w celu jak najbardziej efektywnego przekierowania światła. Na ostatnim etapie białka te przechowują energię słoneczną w centrach reakcji fotosyntetycznej. Badacze z ICFO - Instytutu Nauk Fotonicznych w Barcelonie po raz pierwszy namierzyli ten przepływ energii w pojedynczych białkach. Odkryli, że kwantowa koherencja, pozwala światłu przepływać w białkach zbierające energię, które są niewrażliwe na wszechobecne, zewnętrzne procesy naturalnego rozproszenia.

Efektywne przetwarzanie światła na użyteczną energię jest jednym z wyzwań, które stoją przed dzisiejszym światem. Potrzeba nam coraz większych zasobów energii, ale czystej, nie powodującej zanieczyszczeń; co więcej, paliwa kopalne nie są brane w obecnej koncepcji pod uwagę.

Organizmy przeprowadzające proces fotosyntezy (każdy w szkole na bioli słyszał i uczył się o fotosyntezie. Jestem fizykiem-bloggerem-i-tłumaczem, nie biologiem, nie będę naruszał waszej zmurszałej wiedzy o fotosyntezie, co więcej, nie chcę wejść w paradę waszej nauczycielce, biolożce. Jeszcze spotkam ją na ulicy, a ta ruszy na mnie z Tłukiem: 'pan jest Laikiem, a nie fizykiem! ;))... to m.in rośliny i niektóre bakterie. Są one mistrzami w przeprowadzaniu powyżej opisanego procesu (ofc nie tego z gonieniem z Tłukiem), procesu fotosyntezy. W jedną bilionową sekundy 95% światła, które absorbują, jest przerzucana dalej w celu napędzenia reakcji metabolicznych, dających energię organizmom żywym. Efektywność ogniw fotowoltaicznych dostępnych na rynku to... ~20%. No comment.

Jakiego ukrytego mechanizmu używa natura, aby transportować energię w sposób tak efektywny? Wiele grup badaczy na całym świecie udowodniło, że sekret wydajnego transportu energii tkwi w zjawisku kwantowo-mechanicznym. Jednakże, do tej pory, nikt nie zaobserwował bezpośrednio możliwych wpływów na taki proces warunków pokojowych dla kwantowego mechanizmu transportującego.

Naukowcy ze wspomnianego wcześniej ICFO, we współpracy z biochemikami z Uniwersytetu w Glasgow po raz pierwszy zaobserwowali, że kwantowe mechanizmy transportu pomagają fotosyntezie w byciu bardziej stabilnej, jeśli chodzi o wpływ otoczenia. Mechanizm kwantowy, który jest odpowiedzialny za efektywność fotosyntezy jest znany jako kwantowa koherencja (zdolność obiektów kwantowych do utrwalenia stanów splątania i superpozycji nawet w przypadku ingerencji warunków otoczenia zewnętrznego na stan kwantowy). Objawia się ona w tzw. fotosyntetycznych białkach zbierających energię świetlną, odpowiedzialnych za absorpcję światła słonecznego i transport energii do centrów fotochemicznych całego procesu fotosyntezy.

Aby zaobserwować efekty kwantowe w fotosyntezie, badacze prowadzeni przez Nieka van Hulsta opracowali nowatorski sposób badań. Energia transportowana podczas procesu fotosyntezy jest niesamowicie szybko przenoszona, a dzieje się to wszystko w skali molekularnej. Aby zaobserwować owe ulotne procesy w akcji użyto superszybkich technik spektroskopijnych, działających na obszarze pojedynczej molekuły. To femtosekundowe błyski światła pozwoliły na wykonanie i wychwycenie serii 'obrazków', coś jak klatki filmu, stanów pojedynczych białek transportujących po absorpcji światła. Należy dodać, aby uchwycić skalę, że przez femtosekundę światło przebywa dystans średnicy włosa ludzkiego, zaś przez sekundę podróżuje z Ziemi na Księżyc! :)

Dzięki 'klatkom' naukowcy zrozumieli, jak energia ze Słońca jest transportowana przy pomocy pojedynczych białek. ' Zaobserwowaliśmy, jak energia przepływa przez świetlne absorpcyjne systemy fotosyntetyczne z niespotykanie wysoką przestrzenną i czasową rozdzielczością.'

Van Hulst i jego zespół wychwycili drogi przenoszenia energii słonecznej przez pojedyncze białka transportujące i wykazali, że każde białko używa w tym celu odrębnych dróg. Zaskakującym jest fakt, że drogi przenoszenia w pojedynczej cząstce białka zmieniały się wraz z upływem czasu z powodu zmian w otoczeniu, jakby wybierano najbardziej optymalne drogi. 'Wyniki pokazują, że koherencja, prawdziwy efekt kwantowo-mechaniczny dotyczący superpozycji, jest odpowiedzialny za utrzymywanie wysokich poziomów wydajności transportu w systemach biologicznych, nawet podczas dostrajania dróg przesyłu energii spowodowanym chwiejnymi warunkami zewnętrznymi.' - tłumaczy van Hulst. (jeśli van Hulst tłumaczy, to , olaboga, może być lepszy ode mnie, zawodowca ;))

Wyniki prowadzą do zrodzenia się fantastycznych pytań. Czy transport kwantowy jest ewolucyjnie lepszy niż inne metody i czy je po prostu wyparł? Czy istnieją inne procesy biologiczne, w których efekty kwantowe odgrywają istotną rolę? W przypadku białek zbierających światło transport kwantowy pozwala na niespotykaną wydajność i stabilność.

Odkrycia mogą prowadzić do stworzenia nowej generacji ogniw słonecznych, które naśladują kwantową koherencję.

I koniec.

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys

#66 Kwantowe Gołębie, czyli coś dla Kwantowych G(o)łąbów, Laików, 'Opornych'...

Fotony są materiałem do powstania dziwnego, jak wszystko, co kwantowe, zjawiska. Oprócz Kota Schroedingera (zwierzak jest rozpisany a wszelkie możliwe sposoby w ilości przekraczającej rozumienie nawet dla kwantowego świata dziwacznych zjawisk. Ciekawe czy są myszy Schroedingera? Albo pchły Heisenberga? :) ) Wracając do tematu, nazywa się ów efekt 'paradoksem kwantowego szufladkowania'.

Trzy 'kwantowe ptaki mogą zmieścić się na dwóch 'grzędach' wyłączając przypadek, kiedy dwa gołębie znajdują się na jednej grzędzie. Jak to możliwe? W świecie standardowej matematyki i liczenia trzy gołębie siadają na dwóch grzędach, ale jedna z grzęd jest zajęta przez dwa ptaki. Kwantowa rzeczywistość jest inna. Dzięki temu, że przejawia nie klasyczne, a kwantowe zależności, trzy gołębie mogą usiąść na dwóch grzędach bez podwójnie zajętego siedziska. Zdumiewające, że nawet tak proste liczenie odróżnia nasz klasyczny świat od kwantowego. To tak, jakby powiedzieć, że normalnie dwa plus jeden to trzy, ale 'kwantowo' -  dwa plus jeden to dwa. I kropka.

Kwantowe gołębie nie lubią się dzielić.

Zgodnie z matematyczną ideą nazywaną zasadą szufladkową Dirichleta, siadające na grzędach gołębie muszą zmieścić się we dwa na jednym miejscu. Jeśli istnieje więcej gołębi niż dostępnych miejsc, niektóre ptaki muszą podzielić szufladki między siebie. Ale fotony, inaczej kwanty światła, mogą pogwałcić tę zasadę, według eksperymentu przeprowadzonego 29 stycznia 2019 roku. Stare doświadczenie, ale niszczy podstawy liczenia w matematyce.

Pomimo iż zjawisko pozornie kwalifikuje się na wykład o matematyce, ale w przedszkolu, pomysł o matematyce i gołębiach pomaga zdefiniować fundamentalne zasady czym są liczby (ja wiem, pse Pani! ;)) i co oznacza 'zliczać rzeczy' (mówiłem, ze wiem. O, cekolada!).

Naukowcy przewidują, że w kwantowym świecie trzy 'gołębie' - oczywiście chodzi o cząstki kwantowe, elementarne (lub nie) - mogłyby zmieścić się na dwóch grzędach wykluczając jednocześnie przypadek zajęcia jednego miejsca przez dwa podmioty. Owo zjawisko nazywa się efektem kwantowego szufladkowania. 'Zjawisko to zmienia nasze rozumienie, na poziomie zupełnie podstawowym (cóż jest bardziej podstawowego niż liczenie do trzech i kwanty, najmniejsze, niepodzielne elementy materii i energii). Potrzebne jest zweryfikowanie zagadnienia na poziomie eksperymentalnym' - twierdzą naukowcy z Politechniki Chińskiej w Heifei. 'Efekt kwantowego szufladkowania może mieć wpływ na badania dotyczące znajdowaniu fundamentalnych i złożonych efektów kwantowych'. Brzmi miałko, ale jeśli odkryjemy dzięki powyższemu eksperymentowi inne, bardzo podstawowe zjawiska kwantowe, równe w ważności splątaniu bądź superpozycji? Albo otworzy się świat, w którym efekty kwantowe sumują się, tworząc cos na kształt ZOO kwantowych zjawisk? Warto przemyśleć sens słów badaczy z Chin.

W eksperymencie z 2019 roku opisano przypadek, kiedy trzy fotony zajmują miejsce gołębi. Zamiast wtłaczać fotony na grzędy, naukowcy badali polaryzację cząstek, lub orientację kołyszących się fal elektromagnetycznych samych fotonów. Orientacja może być pozioma lub pionowa. Trzy fotony i dwa rodzaje polaryzacji dają efekt, który standardowa matematyka opisałaby jako fakt, że musiałyby istnieć co najmniej dwie cząstki o takich samych polaryzacjach. Kiedy eksperyment zaprzeczył prostej, intuicyjnej i podstawowej matematyce, zaczęły się schodki. Kwantowe, oczywiście.

Okazało się (przy porównaniu polaryzacji fotonów), że żadna z polaryzacji się nie dublowała! A efekt kwantowego szufladkowania jest prawdziwy.

Zachowanie cząstek przeczy zdrowemu rozsądkowi, 

jako że jest kombinacją istniejących już dziwnych efektów kwantowych. Fotony rozpoczynały test w swoistym 'limbusie' nazywanym superpozycją - oznacza to, iż były spolaryzowane poziomo i pionowo jednocześnie. Kiedy porównywano polaryzacje dwóch fotonów, pomiar wzbudził eteryczne połączenie między cząstkami, zwane splątaniem kwantowym. Właściwości sprzeczne z intuicją pozwalają cząstkom na dokonywanie czynów, o których się Arystotelesowi, Platonowi i Sokratesowi nie śniło. 

Nie jest to pierwszy raz, gdy cząstki poddane eksperymentowi zachowują się w opisany powyżej sposób. Jednak nowe doświadczenie potwierdza i wzmacnia wcześniejsze badania. ' Jest to najlepszy eksperyment z dotychczasowych - mówi Jeff Tollaksen z Uniwersytetu Chapmana w Orange w Kalifornii. Był on członkiem zespołu fizyków teoretycznych, którzy zaproponowali badanie efektu w roku 2014.

Po raz pierwszy dowiedzione eksperymentalnie, że 'Kwantowe Gołębie' zachowują się niematematycznie jedynie w odpowiednich warunkach. Tollaksen i jego koledzy przewidywali, że aby efekt nastąpił, pomiar polaryzacji musi być jak najdelikatniejszy, aby nie naruszyć ulotnego stanu cząstek kwantowych. Nowe badania stwierdzają, iż pomiar musi być 'słaby', aby efekt wystąpił i mógł być mierzalny.

Mechanika kwantowa znana jest ze swoich dziwnych paradoksów określaną w zwierzęcym stylu - królują oczywiście koty. Kot Schroedingera jest gwiazdą pierwszej wielkości w zagadce, czy kot zszedł czy jeszcze zipie. A kwantowe 'Koty z Cheshire' pojawiają się, kiedy cząstki są oddzielone... od swoich właściwości! Podobnie jak kocur, który w bajce 'Alicja w Krainie Czarów' oddzielał się od swojego uśmiechu. Zupełnie jak reszta kwantowego zwierzyńca, 'efekt kwantowego szufladkowania pokazuje coś zupełnie zaskakującego, jeśli nawet nie niemożliwego na pierwszy rzut oka' - twierdzi Tollaksen.

I koniec.

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys