Усередині лабораторії вчені дивуються дивному стану, який утворюється, коли вони охолоджують атоми майже до абсолютного нуля. А тим часом за вікном дерева поглинають сонячне світло та перетворюють його на нове листя. Ці два сценарії можуть здатися абсолютно не пов’язаними, але нещодавнє дослідження Чиказького університету показує , що ці процеси не такі різні, як може здатися на поверхні.

Дослідження, опубліковане в журналі PRX Energy, встановило зв’язок на атомному рівні між процесом фотосинтезу та екситонними конденсатами — дивним фізичним станом, який дозволяє енергії без тертя протікати через матеріал. За словами авторів, це відкриття не тільки захоплююче з наукової точки зору, але воно також може запропонувати нові перспективи для дизайну електроніки.

"Наскільки нам відомо, ці області ніколи раніше не були пов’язані, тому ми знайшли це дуже переконливим і захоплюючим", — сказав співавтор дослідження професор Девід Мазіотті.

Лабораторія Мацціотті спеціалізується на моделюванні складних взаємодій атомів і молекул, оскільки вони демонструють цікаві властивості. Неможливо побачити ці взаємодії неозброєним оком, тому комп’ютерне моделювання може дати вченим вікно в те, чому  така поведінка відбувається, а також може стати основою для розробки майбутніх технологій.

Зокрема, Мазіотті та співавтори дослідження Анна Шоутен і ЛіЕнн Сагер-Сміт моделювали те, що відбувається на молекулярному рівні, коли відбувається фотосинтез.

Коли фотон від сонця потрапляє на листок, він викликає зміни в спеціально розробленій молекулі. Енергія вибиває електрон. Електрон і «дірка», де вона була раніше, тепер можуть подорожувати навколо листка, переносячи енергію сонця в іншу область, де вона запускає хімічну реакцію з утворення цукру для рослини.

Разом ця пара електронів і дірок, що рухаються, називається «екситоном». Коли команда дослідників з висоти пташиного польоту змоделювала рух кількох екситонів, вони помітили щось дивне. Вони побачили візерунки на шляху екситонів, які виглядали напрочуд знайомими.

Насправді це було дуже схоже на поведінку матеріалу, відомого як конденсат Бозе-Ейнштейна, який іноді називають «п’ятим станом матерії». У цьому матеріалі екситони можуть з’єднуватися в один і той самий квантовий стан — щось на зразок набору дзвонів, які дзвонять ідеально в гармонії. Це дозволяє енергії рухатися навколо матеріалу без тертя. (Ці види дивної поведінки інтригують вчених, тому що вони можуть стати зародком для чудової технології — наприклад, подібний стан, який називається надпровідністю, є основою для машин МРТ).

Згідно з моделями, створеними Шоутеном, Сагер-Смітом і Мацціотті, екситони в листі іноді можуть з’єднуватися способами, подібними до поведінки екситонного конденсату.

Це був величезний сюрприз. Екситонні конденсати  спостерігаються лише  тоді, коли матеріал охолоджується значно нижче кімнатної температури. Це було б схоже на те, як у чашці гарячої кави утворюються кубики льоду.

«Фотосинтетичний збір світла відбувається в системі, яка знаходиться при кімнатній температурі, і, більш того, її структура невпорядкована — на відміну від незайманих кристалізованих матеріалів і низьких температур, які ви використовуєте для створення екситонних конденсатів», — пояснив Шоутен.

Цей ефект не є повним — він більше схожий на утворення «острівців» конденсату, кажуть вчені. «Але цього все одно достатньо, щоб покращити передачу енергії в системі», — сказав Сагер-Сміт. Фактично, їхні моделі припускають, що це може подвоїти ефективність.

Це відкриває деякі нові можливості для створення синтетичних матеріалів для майбутніх технологій, сказав Мацціотті. «Ідеальний ідеальний екситонний конденсат є чутливим і вимагає багатьох особливих умов, але для реалістичних застосувань цікаво бачити щось, що підвищує ефективність, але може статися в умовах навколишнього середовища».

Мацціотті сказав, що відкриття також відіграє роль у ширшому підході, який його команда досліджувала протягом десятиліття.

Взаємодія між атомами та молекулами в таких процесах, як фотосинтез, неймовірно складна — з нею важко впоратися навіть для суперкомп’ютера — тому вченим традиційно доводилося спрощувати свої моделі, щоб впоратися з ними. Але Мацціотті вважає, що деякі частини потрібно залишити: «Ми вважаємо, що локальна кореляція електронів є важливою для розуміння того, як насправді працює природа».