Kaip Niutono fotonų lopšys gali atskleisti fotosintezės paslaptis

Stefanas Steinbaueris Atskleiskite purslą

Vienas iš populiarių prietaisų, rodančių energijos ir impulso išsaugojimą, yra Niutono lopšys – vienas su kitu besiliečiančių pakabinamų rutulių serija. Šiuolaikinės formos prietaisas tikriausiai buvo sukurtas septintajame dešimtmetyje ir vėliau parduotas kaip biuro žaislas. Tačiau Niutonas ir kiti XVII amžiuje gerai išmanė jo fiziką.

Šie principai yra universalūs. Jie taip pat taikomi kosmologiniu mastu, kaip ir žmogaus mastu. Jie taip pat taikomi atominėje ir subatominėje skalėje, nors ir modifikuoti keistų kvantinės mechanikos dėsnių.

Ir tai kelia įdomų klausimą: ar įmanoma sukurti Niutono lopšio kvantinį ekvivalentą naudojant subatomines daleles, tokias kaip fotonai?

Šiandien mes gauname atsakymą dėka Zhen Feng darbo Šanchajaus Jiao Tong universitete Kinijoje ir grupės kolegų. Šie fizikai sukūrė Niutono lopšį iš fotonų ir teigia, kad susijusi fizika gali padėti paaiškinti įvairius prastai suprantamus energijos perdavimo procesus gamtoje, tokius kaip fotosintezė ir kvapų jutimas.

Niutono lopšys yra paprastas prietaisas. Demonstracija prasideda pakeliant ir numetant kamuolį viename sustabdytos serijos gale. Kai šis rutulys susiduria su sekančiu eilėje, jis perduoda savo energiją ir impulsą. Tada antrasis rutulys perduoda savo energiją ir impulsą kitam rutuliui ir taip toliau, kol paskutinis rutulys bus išstumtas į orą. Jis pasisuka tolyn, o paskui atgal, tada energijos ir impulso perdavimo procesas kartojasi priešinga kryptimi.

Prietaiso grožis yra tas, kad energijos ir impulso perdavimo nereikia kontroliuoti kiekviename žingsnyje. Vietoj to, įrenginys sukurtas taip, kad būtų užtikrintas perkėlimas savaime. Vienintelė eksperimentuotojo įtaka yra ribinė sąlyga – aukštis, kuriuo pakeliamas pirmasis rutulys.

Ženas ir bendradarbiai tiria klausimą, ar panašią sistemą galima sukurti dirbti su fotonais. Jų atitikmuo lopšiui yra bangolaidžių serija, išraižyta fotoninėje lustoje. Fotonas patenka į pirmąjį bangolaidį, tada peršoka į kitą ir taip toliau, kol išnyra iš paskutinio bangolaidžio. Iš viso šioje grandinėje yra 23 bangolaidžiai.

Svarbiausia, kad kiekvieno šuolio metu fotonas turi išlaikyti savo kvantinę tapatybę. Taigi dekoherencijos negali būti: atsirandantis fotonas turi būti atpažįstamai toks pat, kaip ir į aparatą patekęs fotonas.

Pagrindinis veiksnys yra bangolaidžių jungtis. Tai lemia, ar fotonas gali sėkmingai atlikti šuolį, ar yra atspindėtas ar absorbuojamas.

Taigi fotoninio lusto sukūrimo būdas yra labai svarbus. Iš tiesų, Zhen ir bendradarbiai ištobulino savo dizainą, todėl nereikia kontroliuoti kiekvieno šuolio – jis tiesiog vyksta taip pat, kaip energija perduodama iš kamuoliuko į rutulį Niutono lopšyje. Grandinė gali perduoti energiją tarp dviejų atokių vietų, naudodama tą pačią energijos mainų ir Niutono lopšio sąveikos mechaniką, sako Zhen ir kt.

Komanda taip pat įveda triukšmą į lopšį, kad pamatytų, kaip jis sumažina perdavimo efektyvumą. Jie tai daro prie grandinės pridėdami papildomą bangolaidį – salos vietą. Tai atrodo kaip aklavietė fotonams ir trukdo arba sumažina energijos perdavimą. Naujai pridėta salos vieta gali būti laikoma triukšmu, defektu ar aplinka pradinei sienų valdomai grandinei, teigia mokslininkai.

Tačiau priešingai, atsitinka priešingai. Zhen ir bendradarbiai rodo, kad yra daugybė sąlygų, kuriomis šis triukšmas pagerina perdavimo efektyvumą, o ne jį sumažina: galime gauti 8% padidėjimą nuo 77% (be defektų) iki 85% (su defektu).

Tai turi tam tikrų panašumų su energijos perdavimo gyvuose daiktuose stebėjimais. Pasirodo, fotosintezės sistemos elgiasi panašiai. Įvairios tyrimų grupės pastebėjo, kad defektai pagerina energijos perdavimą milžiniškose molekulinėse struktūrose, dalyvaujančiose fotosintezėje. Panašus poveikis pasireiškia kvapo jutimo metu, kuris plačiai laikomas kvantiniu reiškiniu.

Gebėjimas atkurti šį mįslingą efektą dirbtinėje sistemoje leis mokslininkams jį išsamiau ištirti. Iš tiesų, fotoninis Niutono lopšys turi tapti naudingu modeliu, leidžiančiu geriau suprasti gyvenimo procesus. Niutonas būtų nustebęs.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1901.07574 : Fotoninis Niutono lopšys nuotoliniam energijos transportavimui

paslėpti