Как показало моделирование, проведенное командой из Университета Райса, энергия передается быстрее между молекулярными участками, если она изначально находится в запутанном, делокализованном состоянии, а не в одном месте. Эти результаты могут привести к появлению новых принципов проектирования систем искусственного фотосинтеза и более эффективных солнечных технологий, пишет IE.

Для исследования группа построила упрощенную молекулярную модель, состоящую из двух зон: донорской, где энергия поглощается, и акцепторной, куда энергия в конечном итоге должна попасть. Энергия между этими двумя конечными положениями перемещалась постепенно: чаще всего, короткими прыжками, но иногда и длинными. Исследователи учли также влияние окружающей среды, к примеру, вибраций, которые могут мешать или же способствовать течению энергии.

Основной вопрос, занимавший ученых, был простым: движется ли энергия быстрее, если она изначально локализована в одном месте или если она распространяется по нескольким донорским участкам в квантовой суперпозиции?

«Делокализация начального возбуждения в нескольких зонах ускоряет перенос энергии, чего невозможно достичь, если начинать с одной зоны», — сказал Гвидо Пагано, соавтор исследования.

Ученый отметил, что это преимущество сохранялось даже при наличии внешних помех. «Начальное состояние в делокализованном квантовом состоянии предоставляет системе больше возможностей, — сказал он. — Наше моделирование показывает, что эта дополнительная когерентность обеспечивает более быстрый перенос к акцептору, даже в присутствии помех окружающей среды».

Результаты для запутанных начальных состояний показали стабильный прирост скорости. Перенос энергии сохранял более высокую скорость при широком спектре взаимодействий. Это означает, что природа может использовать запутанность и когерентность для оптимизации скорости передачи возбуждения, тем самым повышая устойчивость этого процесса.

Если природные системы используют для повышения эффективности квантовые эффекты, то ими же могут воспользоваться инженеры при создании искусственных систем. Например, в новых фотоэлементах когерентность может служить для более эффективного перемещения энергии, снижения потерь и повышения производительности.

Группа исследователей из Швейцарии разработала новую молекулу, моделирующую фотосинтез растений: под воздействием света она накапливает одновременно два положительных и два отрицательных заряда. Конечная цель ученых — преобразовать солнечный свет в углеродно-нейтральное топливо.