Δεσμευμένες καταστάσεις ενισχύουν τη μεταφορά ενέργειας σε μοντέλα μοριακών συστημάτων

Μια μελέτη του Πανεπιστημίου Rice, που δημοσιεύθηκε στο PRX Quantum, διαπίστωσε ότι η ενέργεια μεταφέρεται πιο γρήγορα μεταξύ μοριακών περιοχών όταν ξεκινά από μια δεσμευμένη, κατανεμημένη κβαντική κατάσταση, σε αντίθεση με το να ξεκινά από μία μόνο περιοχή. Η ανακάλυψη αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη πιο αποδοτικών υλικών συλλογής φωτός, τα οποία βελτιώνουν τη μετατροπή της φωτεινής ενέργειας σε άλλες μορφές ενέργειας.

Πολλές βιοχημικές διαδικασίες, όπως η φωτοσύνθεση, εξαρτώνται από τη γρήγορη και αποδοτική μεταφορά ενέργειας μετά την απορρόφηση. Η κατανόηση του πώς κβαντικά φαινόμενα όπως η εμπλοκή (entanglement) επηρεάζουν αυτές τις διεργασίες σε θερμοκρασία δωματίου θα μπορούσε να αλλάξει ριζικά την προσέγγισή μας στη δημιουργία τεχνητών συστημάτων που μιμούνται την αποδοτικότητα της φύσης.

«Η κατανομή της αρχικής διέγερσης σε πολλαπλές περιοχές επιταχύνει τη μεταφορά με τρόπους που δεν μπορεί να επιτύχει η εκκίνηση από μία μόνο θέση», δήλωσε ο Guido Pagano, κύριος συγγραφέας της μελέτης και επίκουρος καθηγητής φυσικής και αστρονομίας.

Μοντέλο και μεθοδολογία

Η μελέτη χρησιμοποιεί ένα απλοποιημένο μοριακό μοντέλο που αποτελείται από δύο περιοχές: έναν δωρητή, όπου αρχικά απορροφάται η ενέργεια και έναν αποδέκτη, όπου η ενέργεια πρέπει τελικά να φτάσει. Η ενέργεια μπορεί να μεταπηδά ανάμεσα σε θέσεις εντός κάθε περιοχής· αν και τα μεγαλύτερα άλματα είναι λιγότερο πιθανά, συμπεριλαμβάνονται στο μοντέλο. Το μοντέλο λαμβάνει επίσης υπόψη τις αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον, το οποίο μπορεί να συνδεθεί με τις δονήσεις του μορίου και να επηρεάσει τη διαδικασία μεταφοράς ενέργειας.

Κύριο σημείο της έρευνας ήταν να διαπιστωθεί αν είναι πιο αποτελεσματικό η ενέργεια να ξεκινά πλήρως από μία θέση δωρητή ή από μια κατανεμημένη ή δεσμευμένη υπερτιθέμενη κατάσταση που εκτείνεται σε δύο ή περισσότερες θέσεις δωρητών. Οι ερευνητές διερεύνησαν αν αυτή η κβαντομηχανική ιδιότητα επηρεάζει την ταχύτητα μεταφοράς σε ένα σύστημα με μακράς εμβέλειας αλληλεπιδράσεις.

«Η εκκίνηση από μια κατανεμημένη κβαντική κατάσταση προσφέρει στο σύστημα περισσότερες διαδρομές», ανέφερε ο Pagano. «Οι προσομοιώσεις μας δείχνουν ότι αυτή η επιπλέον συνοχή επιτρέπει ταχύτερη μεταφορά προς τον αποδέκτη, ακόμη και παρουσία περιβαλλοντικού θορύβου».

Ευρήματα και επιπτώσεις

Η ερευνητική ομάδα διαπίστωσε ότι όταν η ενέργεια ξεκινά από μια αρχική δεσμευμένη κατάσταση, η μεταφορά προς τον αποδέκτη πραγματοποιείται σημαντικά ταχύτερα σε σχέση με σενάρια όπου η ενέργεια ξεκινά από μία μόνο θέση. Αυτό το εύρημα ισχύει σε διάφορες παραμέτρους του μοντέλου, όπως η ισχύς σύνδεσης με το περιβάλλον, η εμβέλεια των αλληλεπιδράσεων μεταξύ θέσεων και η αταξία εντός του συστήματος.

«Αυτό υποδηλώνει ότι η φύση μπορεί να χρησιμοποιεί εμπλοκή και συνοχή για να βελτιστοποιήσει την ταχύτητα της μεταφοράς διέγερσης, ενισχύοντας έτσι την ανθεκτικότητα αυτής της διαδικασίας», δήλωσε ο Pagano.

Αν και το μοντέλο είναι εσκεμμένα μινιμαλιστικό, οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι οι επιπτώσεις του επεκτείνονται σε πιο σύνθετα μοριακά συστήματα. Προτείνουν ότι πειραματικές δοκιμές θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν σε ελεγχόμενες κβαντικές πλατφόρμες, όπως τα συστήματα παγιδευμένων ιόντων, για την προσομοίωση της φυσικής της μεταφοράς ενέργειας σε μόρια.

«Στόχος μας είναι να γεφυρώσουμε τον αφηρημένο κόσμο της κβαντικής πληροφορίας με τους απτούς μηχανισμούς που παρατηρούνται στη βιολογία», δήλωσε ο Diego Fallas Padilla, πρώτος συγγραφέας της μελέτης και απόφοιτος του Rice.

«Αυτή η μελέτη αποτελεί ένα βήμα προς την απόδειξη ότι η κβαντική συνοχή δεν είναι απλώς μια θεωρητική περιέργεια, αλλά ένα πρακτικό στοιχείο του σχεδιασμού της φύσης».

Συγγραφείς της μελέτης περιλαμβάνουν επίσης τους Visal So, Abhishek Menon, Roman Zhuravel και Han Pu από το Πανεπιστήμιο Rice.