重要物理現象的第一個觀察和描述特性在光合作用後的

Published on May 10, 2010 at 8:25 PM

遠期乾淨的綠色太陽能說不定取決於的科學家能解開光合作用,綠色植物轉換陽光成電化學能源的進程的奧秘。

為此,有美國能源部的研究員 (DOE)勞倫斯伯克利國家實驗室 (伯克利實驗室) 和加州大學 (UC),伯克利記錄了一個重要物理現象的第一個觀察和描述特性在叫作數量纏結的光合作用後的。

Mohan Sarovar (安裝) 和 (從左) Akihito Ishizaki,比吉塔 Whaley 和格雷姆佛萊明執行了數量纏結的第一個觀察和描述特性在一個實際生物系統的。 (照片羅伊 Kaltschmidt,伯克利實驗室公事)

格雷姆導致的早先實驗佛萊明,暫掛與伯克利實驗室和加州大學伯克利分校的一位實際化學家聯合預約,指向數量機械作用,綠色植物的能力的關鍵字,通過光合作用,從在收穫複雜的光的分子幾乎瞬間地調用太陽能到在電化學回應的分子集中。 現在包括佛萊明的一個新的合作小組識別纏結作為這些量子作用一個自然功能。 當二個數量尺寸微粒,例如一個對電子, 「被捲入」,任何變化到一个立刻將被反射在其他上,無論離得很遠他們也許。 雖然實際上分隔,二個微粒作為一個唯一實體。

「這是向第一個的研究顯示纏結,或許數量機械系統最特別的屬性,在收穫複雜的整個光間是存在」,說 Mohan Sarovar,在加州大學伯克利分校化學比吉塔 Whaley 教授下的博士後在伯克利中心對於 Quantum 信息和計算。 「當有纏結的前期調查在生物刺激的玩具系統時的,這是纏結在一個實際生物系統被檢查并且被定量了的一審」。

此研究的結果在區暫掛涵義不僅的人為光合作用系統的發展作為電能的一個可延續的不會引起汙染的來源,而且的基於數量的技術的將來的發展例如計算 - 數量計算機比所有常規計算機可能快速地執行某些運算千位時期。

「我們得知收穫在自然系統的光的數量方面的課程可以適用於是更好的人為光合作用的系統的設計」, Sarovar 說。 「在收穫複雜和他們的綜合仿造物的光的有機構成可能也擔當數量計算機有用的要素或其他數量提高了設備,例如信息傳遞的電匯」。

什麼可以被證明是此研究的最重大的揭示是那相反與這種普遍的科學飾物纏結是一個脆弱和異乎尋常的屬性,難設計和維護,伯克利研究員顯示出,纏結在一個生物系統的混亂化工複雜可能存在和仍然存在。

「我們存在數量纏結的有力的證據在喧鬧的不平衡系統在高溫通過確定時標,并且纏結是可測的在蛋白質結構對在某些細菌的光合作用是中央的溫度」, Sarovar 說。

Sarovar 是有描述出現在線於在光合作用的輕收穫的複雜的日記帳本質物理題為的 「Quantum 纏結的此研究的論文的佛萊明和 Whaley 的一個共同執筆者」。 並且合著本文是 Akihito Ishizaki 在佛萊明的研究小組。

綠色植物和某些細菌能從陽光調用通過光網絡被收穫的這個能源接近收穫顏料蛋白質複雜和到與 100 百分比效率的回應中心裡。 速度是這個關鍵字 - 太陽能的調用那麼快速地進行一點能源浪費作為熱。 在 2007年,佛萊明和他的研究小組報告了第一直接證據此根本瞬間能量轉移由卓越地長壽,波形的電子數量凝聚使成為可能。

使用在飛秒做的電子分光學評定 (millionths 十億分之一分之一一秒鐘) 時間表尺度,佛萊明和他的組發現了 「數量打的」信號,在服務供應商和接受人分子的連貫電子動擺的存在。 當石頭被扔到池塘時,這些動擺由從被獲取的太陽光子的激發能生成,像被形成的通知。 動擺的波形的質量使他們同時抽樣在這個光合作用的系統的所有勢能調用路和選擇最高效。 由佛萊明和他的組的隨後的研究識別在這個光合作用的系統的輕的收穫的部分的嚴密地被包裝的顏料蛋白質複雜作為連貫動擺的來源。

「我們的結果建議包圍顏料分子的關聯的蛋白質環境 (例如綠葉素) 保留在光合作用的複雜的數量凝聚,允許激發能移動連貫地空間,反過來啟用收穫和捕捉在光合作用的非常有效率的能源」,佛萊明說。

在此新的研究中,收穫動力的光一個可靠的設計開發由 Ishizaki 和佛萊明與 Whaley 和 Sarovar 數量信息研究結合向顯示數量纏結湧現,當在光合作用系統的數量凝聚演變。 他們的研究焦點是 Fenna Matthews 歐爾森 (FMO)光合作用的輕收穫的蛋白質,被認為學習的光合作用的能量轉移一個模型系統在綠色硫磺細菌找到的分子複雜,因為它只包括化學很好被分析了的七個顏料分子。

「我們查找了纏結的存在的數字證據在仍然存在微微秒時標的調頻振盪器複雜的,直到激發能由回應中心困住」, Sarovar 根本說。

「這是卓越的在一個生物或混亂的系統在生理溫度,并且說明不平衡分成多部份纏結可能存在相對地很長時間,甚而在高度 decoherent 環境裡」。

研究小組也發現纏結在距離大約 30 埃間仍然存在 (一埃是氫原子的直徑),但是此長度縮放比例被查看了作為產品相對地小型調頻振盪器複雜,而不是這個作用的限制。

「我們預計長壽,不平衡纏結也將是存在收穫天線複雜,例如 LH1 和 LH2 的更大的光,并且在收穫複雜的這樣更大的光創建和支持多個勵磁為了存取被捲入的狀態一個更加富有的種類可能也是可能的」, Sarovar 說。

研究小組驚奇發現重大的纏結仍然存在沒嚴格被耦合的分子之間在收穫複雜的光 (連接) 通過他們的電子和振動態。 他們也驚奇發現一點影響溫度如何有在程度纏結。

「在數量信息領域,溫度通常被認為非常有害對數量屬性例如纏結」, Sarovar 說。 「但是在系統例如收穫複雜的光,我們看見纏結可以是相對地對增加的溫度免疫的作用」。

支持此研究一部分由美國能源部科學辦公室和一部分由從國防高級研究計劃局的授予 (DARPA)。

Last Update: 25. January 2012 20:47

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