Hur en Newtons vagga för fotoner kunde avslöja fotosyntesens hemligheter

Stefan Steinbauer Unsplash

En populär anordning för att demonstrera bevarandet av energi och momentum är Newtons vagga - en serie upphängda bollar i kontakt med varandra. Apparaten i sin moderna form skapades troligen på 1960-talet och såldes sedan som en kontorsleksak. Men Newton, och flera andra på 1600-talet, var väl bevandrade i dess fysik.

Dessa principer har universell tillämpning. De gäller lika bra på den kosmologiska skalan som de gör på den mänskliga skalan. De gäller också på atomär och subatomär skala, om än modifierade av kvantmekanikens konstiga lagar.

Och det väcker en intressant fråga: är det möjligt att bygga kvantekvivalenten till en Newtons vagga med hjälp av subatomära partiklar, som fotoner?

Idag får vi svar tack vare Zhen Fengs arbete vid Shanghai Jiao Tong University i Kina och en grupp kollegor. Dessa fysiker har skapat en Newtons vagga av fotoner och säger att den involverade fysiken kan hjälpa till att förklara en rad dåligt förstådda energiöverföringsprocesser i naturen, såsom fotosyntes och luktavkänning.

En Newtons vagga är en enkel enhet. En demonstration börjar med att lyfta och släppa bollen i ena änden av den avstängda serien. När denna boll kolliderar med nästa i raden överför den sin energi och fart. Den andra bollen överför sedan sin energi och momentum till nästa boll och så vidare, tills den sista bollen drivs upp i luften. Den svänger iväg och sedan tillbaka, vid vilken tidpunkt processen med energi- och momentumöverföring upprepas i motsatt riktning.

Det fina med enheten är att energi- och momentumöverföringen inte behöver kontrolleras vid varje steg. Istället är enheten konstruerad på ett sätt som säkerställer att överföringen sker av sig själv. Det enda inflytandet som försöksledaren har är på gränsvillkoret - höjden som den första bollen höjs.

Frågan som Zhen och co undersöker är om ett liknande system kan konstrueras för att fungera med fotoner. Deras motsvarighet till vaggan är en serie vågledare uthuggna i ett fotoniskt chip. En foton går in i den första vågledaren, hoppar sedan till nästa, och så vidare, tills den kommer ut från den sista vågledaren. Totalt finns det 23 vågledare i denna kedja.

Avgörande är att fotonen måste behålla sin kvantidentitet under varje hopp. Så det kan inte finnas någon dekoherens: fotonen som kommer fram måste vara igenkännbar densamma som den som kom in i apparaten

En nyckelfaktor är kopplingen mellan vågledarna. Detta styr om fotonen kan göra hoppet framgångsrikt eller reflekteras eller absorberas.

Så sättet det fotoniska chipet är konstruerat på är avgörande. Zhen och co har verkligen fulländat sin design så att det inte finns något behov av att kontrollera varje hopp – det sker bara på samma sätt som energin överförs från boll till boll i en Newtons vagga. Kedjan kan överföra energi mellan två avlägsna platser med samma sätt för energiutbyte och interaktionsmekanik som Newtons vagga, säger Zhen och co.

Teamet introducerar också brus i vaggan för att se hur det minskar överföringseffektiviteten. De gör detta genom att lägga till en extra vågledare - en ö-plats - bredvid kedjan. Detta verkar som en återvändsgränd för fotoner och verkar förhindra eller minska energiöverföringen. Den nyligen tillkomna öplatsen kan betraktas som buller, defekt eller miljö för den ursprungliga gränskontrollerade kedjan, säger forskarna.

Men kontraintuitivt händer det motsatta. Zhen och co visar att det finns ett brett spektrum av förhållanden där detta brus förbättrar överföringseffektiviteten istället för att minska den: Vi kan få en ökning med 8 % från 77 % (utan defekt) till 85 % (med defekt).

Det har vissa likheter med observationer av energiöverföring i levande varelser. Det visar sig att fotosyntetiska system beter sig på liknande sätt. Olika forskargrupper har märkt att defekter verkar förbättra energiöverföringen över de gigantiska molekylära strukturerna som är involverade i fotosyntesen. En liknande effekt uppstår vid luktavkänning, som allmänt anses vara ett kvantfenomen.

Att kunna återskapa denna förbryllande effekt i ett artificiellt system kommer att tillåta forskare att studera den mer i detalj. Faktum är att den fotoniska Newtons vagga kommer att bli en användbar modell för att bättre förstå livets processer. Newton skulle ha blivit förvånad.

Ref: arxiv.org/abs/1901.07574 : Photonic Newtons vagga för fjärrenergitransport

Dölj