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Premières Observation et Caractérisation de Phénomène Matériel Critique Derrière la Photosynthèse

Published on May 10, 2010 at 8:25 PM

Le contrat à terme de l'énergie solaire verte propre peut bien s'articuler sur des scientifiques pouvant se démêler les mystères de la photosynthèse, le procédé par lequel les plantes vertes convertissent la lumière solaire en énergie électrochimique.

À cet effet, les chercheurs avec le Ministère De L'énergie des États-Unis (DOE) le Laboratoire National de Lawrence Berkeley (Laboratoire de Berkeley) et l'Université de Californie (UC), Berkeley ont enregistré la premières observation et caractérisation d'un phénomène matériel critique derrière la photosynthèse connue sous le nom d'enchevêtrement de tranche de temps.

Mohan Sarovar (positionné) et (de la gauche) Akihito Ishizaki, Birgitta Whaley et Graham Fleming ont effectué la premières observation et caractérisation de l'enchevêtrement de tranche de temps dans un système biologique réel. (Photo par Roy Kaltschmidt, Affaires Publiques de Laboratoire de Berkeley)

Expériences Précédentes abouties par Graham Fleming, un pharmacien matériel retenant des rendez-vous communs avec le Laboratoire et l'Uc Berkeley de Berkeley, indiqués des effets mécaniques de tranche de temps comme la clé à la capacité des plantes vertes, par la photosynthèse, de transférer presque instantanément l'énergie solaire à partir des molécules dans la lumière moissonnant des composés aux molécules dans la réaction électrochimique centre. Maintenant une équipe de collaboration neuve qui inclut Fleming ont recensé l'enchevêtrement comme caractéristique technique naturelle de ces effets de tranche de temps. Quand deux particules tranche de temps tranche de temps, par exemple une paire des électrons, « sont empêtrées, » n'importe quel changement à un sera immédiatement réfléchi de l'autre, n'importe comment éloignés elles pourraient être. Bien Que matériel séparées, les deux particules agissent en tant qu'entité unique.

« C'est la première étude pour prouver qu'enchevêtrement, peut-être la propriété la plus distinctive des systèmes mécaniques de tranche de temps, est présente en travers d'une lumière entière moissonnant le composé, » dit Mohan Sarovar, un chercheur post-doctoral sous professeur de chimie d'Uc Berkeley Birgitta Whaley au Centre de Berkeley pour l'Information et le Calcul de Quantum. « Tandis Qu'il y a eu des investigations antérieures sur l'enchevêtrement dans des systèmes de jouet qui ont été motivés par biologie, c'est le premier cas dans lequel l'enchevêtrement a été examiné et mesuré dans un système biologique réel. »

Les résultats de cette étude retiennent des implications non seulement pour le développement des systèmes artificiels de photosynthèse comme source non polluante renouvelable d'énergie électrique, mais également pour le développement futur des technologies tranche de temps-basées dans les zones telles que calculer - un ordinateur de tranche de temps pourrait exécuter certains milliers de fonctionnements de périodes plus rapidement que n'importe quel ordinateur conventionnel.

« Les leçons que nous nous renseignons sur les aspects de tranche de temps de la lumière moissonnant dans des systèmes naturels peuvent être appliquées au design des systèmes photosynthétiques artificiels qui sont encore meilleurs, » Sarovar dit. « Les structures organiques dans la lumière moissonnant des composés et leurs imitateurs synthétiques ont pu également servir de composants utiles des ordinateurs de tranche de temps ou d'autres dispositifs tranche de temps-améliorés, tels que des fils pour le transfert de données. »

Ce Qui peut s'avérer être la révélation la plus significative de cette étude est celui contraire à la notion scientifique populaire que l'enchevêtrement est une propriété fragile et exotique, difficile à concevoir et mettre à jour, les chercheurs de Berkeley ont expliqué que l'enchevêtrement peut exister et persister dans la complexité chimique chaotique d'un système biologique.

« Nous présentons la preuve irréfutable pour l'enchevêtrement de tranche de temps dans des systèmes bruyants de non-équilibre aux températures élevées en déterminant les calendriers et les températures pour lesquelles l'enchevêtrement est observable dans une structure des protéines qui est centrale à la photosynthèse dans certaines bactéries, » Sarovar dit.

Sarovar est un co-auteur avec Fleming et Whaley d'un article décrivant cette recherche qui apparaît en ligne dans enchevêtrement de Quantum intitulé par Physique de Nature de tourillon le « dans les composés de lumière-moisson photosynthétiques. » Co-écrire Également cet article était Akihito Ishizaki à l'organisme de recherche de Fleming.

Les plantes Vertes et certaines bactéries peuvent transférer l'énergie moissonnée à partir de la lumière solaire par un réseau de la lumière moissonnant des composés de pigment-protéine et dans des centres de réaction avec presque 100 pour cent d'efficience. La Vitesse est la clé - le transfert de l'énergie solaire a lieu tellement rapidement que peu d'énergie est gaspillée comme chaleur. En 2007, Fleming et son organisme de recherche ont enregistré la première preuve directe que ce transfert d'énergie essentiellement instantané a été rendu possible par une cohérence électronique remarquablement longévitale et onduleuse de tranche de temps.

Utilisant des mesures électroniques de spectroscopie effectuées sur une femtoseconde (millionths d'un milliardième d'une seconde) d'echelle de temps, Fleming et son groupe ont découvert l'existence des signes battants de « tranche de temps », vibrations électroniques logiques en molécules de donneur et d'accepteur. Ces vibrations sont produites par l'énergie d'excitation des photons solaires capturés, comme les ondes formées quand des pierres sont jetées en l'air dans un étang. La qualité onduleuse des vibrations leur permet d'échantillonner simultanément toutes les voies potentielles de transfert d'énergie dans le système photosynthétique et de choisir le plus efficace. Les Études ultérieures de Fleming et son groupe ont recensé un composé attentivement bourré de pigment-protéine dans la partie de moisson légère du système photosynthétique comme source des vibrations logiques.

« Nos résultats ont suggéré que les environnements marqués de protéine entourant des molécules de pigment (telles que la chlorophylle) préservent la cohérence de tranche de temps dans les composés photosynthétiques, permettant à l'énergie d'excitation de déménager avec cohérence l'espace, qui active consécutivement l'énergie très efficace moissonnant et enfermant dans la photosynthèse, » Fleming dit.

Dans cette étude neuve, un modèle fiable de la lumière moissonnant la dynamique développée par Ishizaki et Fleming a été combiné avec la recherche de l'information de tranche de temps de Whaley et de Sarovar pour prouver que l'enchevêtrement de tranche de temps apparaît pendant que la cohérence de tranche de temps dans des systèmes de photosynthèse évolue. Le centre de leur étude était la protéine (FMO) de lumière-moisson photosynthétique de Fenna-Matthews-Olson, un composé moléculaire trouvé dans les bactéries vertes de soufre qui est considéré un système modèle pour étudier le transfert d'énergie photosynthétique parce qu'il se compose de seulement sept molécules de pigment dont la chimie a été bien caractérisée.

« Nous avons trouvé la preuve numérique pour l'existence de l'enchevêtrement dans le composé d'OFM qui a persisté au-dessus des calendriers de picoseconde, essentiellement jusqu'à ce que l'énergie d'excitation ait été enfermée par le centre de réaction, » Sarovar dit.

« C'est remarquable dans un système biologique ou désordonné aux températures physiologiques, et illustre que l'enchevêtrement pluripartiste de non-équilibre peut exister pendant des périodes relativement longues, même dans les environnements hautement decoherent. »

L'équipe de recherche a également constaté que l'enchevêtrement a persisté en travers des distances d'environ 30 angströms (un angström est le diamètre d'un atome d'hydrogène), mais cette longueur-échelle a été visualisée comme produit relativement du de petite taille du composé d'OFM, plutôt qu'une limitation de l'effet elle-même.

« Nous comptons que longévital, l'enchevêtrement de non-équilibre sera également présent dans la plus grande lumière moissonnant des composés d'antenne, tels que LH1 et LH2, et que dans une telle plus grande lumière moissonnant des composés il peut également être possible de produire et supporter des excitations multiples afin d'atteindre une variété plus riche de conditions empêtrées, » dit Sarovar.

L'équipe de recherche était étonnée de voir que l'enchevêtrement significatif a persisté entre les molécules dans la lumière moissonnant le composé qui n'ont pas été fortement accouplées (connecté) par leurs conditions électroniques et vibratoires. Ils étaient étonnés également de voir comment peu de température d'incidence a eu sur le degré d'enchevêtrement.

« Dans le domaine de l'information de tranche de temps, la température est habituellement considéré très délétère aux propriétés de tranche de temps telles que l'enchevêtrement, » Sarovar dit. « Mais dans des systèmes tels que la lumière moissonnant des composés, nous voyons que l'enchevêtrement peut être relativement immunisé contre les effets de la température accrue. »

Cette recherche a été supportée en partie par Ministère De L'énergie d'États-Unis le Bureau De la Science, et en partie par une concession de l'Agence De La Défense Pour Les Projets De Recherche Avancés (DARPA).

Last Update: 12. January 2012 22:01

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