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第一批判背后光合作用的物理现象的观察和表征

Published on May 10, 2010 at 8:25 PM

清洁绿色的太阳能发电的未来很可能取决于科学家能够揭示光合作用的奥秘,太阳光转换成电化学能量的过程,绿色植物。

为此,与美国能源部(DOE)的劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学(UC)伯克利分校的研究人员已经记录称为光合作用背后一个重要的物理现象的观察和表征量子纠缠。

磨憨Sarovar(座位)和(左起)明仁石崎,Birgitta惠利和格雷厄姆弗莱明在一个真正的生物系统进行的首次观察到了量子纠缠和表征。 (照片由罗伊Kaltschmidt,伯克利实验室的公共事务)

以前的实验,控股联合任命与伯克利实验室和加州大学伯克利分校的物理化学家,格雷厄姆弗莱明领导指出,绿色植物通过光合作用能力,关键的量子力学效应,几乎在瞬间转移分子捕光复合物的太阳能在电化学反应中心的分子。现在已经确定了一个新的合作团队,其中包括弗莱明作为这些量子效应的自然特征的纠缠。当两个量子大小的颗粒,例如对电子,是“纠缠”,任何一个变化将立即反映在其他,不管他们可能相隔多远。虽然物理上是分离的,两个粒子作为一个单一的实体。

“这是第一次研究表明,纠缠,也许是最鲜明的量子力学系统的属性,目前在整个捕光复杂,”莫汉说,根据加州大学伯克利分校化学教授Birgitta惠利的博士后研究员在伯克利Sarovar量子信息与计算的中心。 “虽然有事先调查的动机是由生物学的玩具,系统的纠缠,这是第一个实例,其中的纠缠已经被审查,并在一个真正的生物系统的量化。”

举行这项研究的结果不仅作为一种可再生无污染的电能来源的人工光合作用系统的发展的影响,但也为基于量子技术,如计算领域的未来发展 - 一台量子计算机可以执行某些数千次操作的速度比任何传统的计算机。

“我们学习在自然系统中的捕光量子方面的经验教训可以被应用到人工光合作用系统,甚至更好的设计,”Sarovar说。 “捕光复合物及其合成模仿的有机结构,也可以作为量子计算机或量子增强的其他设备,如信息的传递线,有益的成分。”

什么可证明是本研究的最显着的启示是说的流行的科学概念,纠缠是一个脆弱和异国情调的属性,很难工程师和维护相反,在伯克利研究人员已经证明,纠缠可以存在和坚持的混乱化学复杂的一个生物系统。

“我们目前在嘈杂的非平衡系统的量子纠缠在确定的时间和温度的纠缠是在观察一种蛋白质的结构,它是中央在某些细菌的光合作用的高温有力的证据,”Sarovar说。

Sarovar是一个与弗莱明和惠利合作,作者的一份文件,说明此研究,出现的杂志自然题为“量子纠缠在光合作用捕光复合物还共同创作本文明仁石崎在弗莱明的研究物理学上线组。

绿色植物和某些细菌能够转移近100%的效率,通过捕光色素蛋白复合物的反应中心的网络,并进入收获阳光能源。速度是关键 - 太阳能的转移发生如此之快,很少的能量作为热量浪费。 2007年,弗莱明和他的研究小组报告的第一个直接证据,这实质上是瞬时的能量转移可能是由一个非常长寿命,波浪式的电子量子相干。

使用电子光谱的测量飞秒(十亿分之一秒的百万分之一)的时间尺度上,弗莱明和他的小组发现的“量子跳动”的信号,在供体和受体分子协调一致的电子振荡的存在。从被俘的太阳光子的激发能量,到一个池塘里扔石头时形成的波浪一样,这些振荡所产生的。波浪振荡质量,使他们在光合系统的同步采样所有潜在的能量转移途径,并选择最有效的。弗莱明和他的小组的后续研究发现,在一个紧密排列的色素蛋白复合体的相干振荡源的光合系统捕光部分。

“我们的研究结果提出相关蛋白的环境,周围的色素分子(如叶绿素)保存在光合复合物的量子相干性,激发能量的移动空间,这反过来又使高效节能,收获和光合作用捕集连贯,”弗莱明说。

在这个新的研究,可靠的捕光石崎及菲林明动态模型相结合,与量子信息研究的惠利和Sarovar显示,量子纠缠的量子相干性的发展,在光合作用系统出现。他们的研究重点是Fenna马修斯 - 奥尔森(FMO)的光合作用捕光蛋白,绿色硫细菌,被认为是研究光合能量传递的模型系统中的分子复杂,因为它只有7个色素分子,其化学组成得到了很好的特点。

“我们发现数值为纠缠在鱼类统营处复杂,坚持皮秒时间尺度,从根本上激发能量,直到被困反应中心的存在的证据,”Sarovar说。

“这是显着的生理温度在生物或无序系统,并说明多方纠缠,非均衡,可以存在相当长的时间,即使在高度decoherent的环境。”

该研究小组还发现,纠缠坚持跨越距离约30埃(1埃是氢原子的直径),但这个长度规模被视为产品的规模相对较小的鱼类统营处复杂,而不是限制,效果本身。

:“我们预计,寿命长,非均衡的纠缠也将在更大的捕光天线复合,如LH1和LH2的,目前,,在这样大的捕光复合物,它也可能为了创建和支持多种激励访问纠缠态的品种更加丰富,说:“Sarovar。

该研究小组惊讶地看到显著的纠缠,坚持在没有强耦合,通过其电子和振动状态(连接)捕光复杂的分子之间。他们还惊奇地看到,如何纠缠度的影响不大温度。

“在量子信息领域的中,温度通常被认为是非常有害的,如纠缠的量子性质,”Sarovar说。 “但如捕光复合物的系统,我们看到,纠缠可以被温度升高的影响相对免疫。”

这项研究是由美国能源部科学办公室支持的,部分,由国防部高级研究计划局(DARPA)授予的一部分。

Last Update: 4. October 2011 14:30

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