在实验室里，科学家们惊叹于当他们将原子冷却到接近绝对零度时形成的奇怪状态。在窗外，树木收集阳光并将它们变成新叶。这两者似乎无关，但芝加哥大学的一项新研究表明，这些过程并不像表面上看起来那么不同。

(资料图)

这项研究于28月<>日发表在PRX Energy上，发现了光合作用和激子凝聚物之间的原子水平系 - 这是一种奇怪的物理状态，允许能量无摩擦地流过材料。作者说，这一发现在科学上很有趣，并可能提出思考设计电子产品的新方法。

“据我们所知，这些领域以前从未连接过，所以我们发现这非常引人注目和令人兴奋，”该研究的共同作者David Mazziotti教授说。

Mazziotti的实验室专门研究原子和分子的复杂相互作用，因为它们显示出有趣的特性。没有办法用肉眼看到这些相互作用，因此计算机建模可以为科学家提供一个窗口，了解为什么会发生这种行为，也可以为设计未来的技术提供基础。

特别是，Mazziotti和研究合著者Anna Schouten和LeeAnn Sager-Smith一直在模拟光合作用发生时分子水平上发生的事情。

当来自太阳的光子撞击叶子时，它会引发特殊设计的分子的变化。能量敲开一个电子。电子和它曾经所在的“空穴”现在可以围绕叶子传播，将太阳的能量带到另一个区域，在那里它触发化学反应为植物制造糖分。

行进的电子和空穴对一起被称为“激子”。当团队鸟瞰并模拟多个激子如何移动时，他们注意到了一些奇怪的东西。他们在激子的路径上看到了看起来非常熟悉的模式。

事实上，它看起来非常像一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚物的材料中的行为，有时被称为“物质的第五状态”。在这种材料中，激子可以连接到相同的量子态 - 有点像一组铃铛，都完美地响起。这允许能量以零摩擦在材料周围移动。(这些奇怪的行为引起了科学家的兴趣，因为它们可以成为非凡技术的种子——例如，一种称为超导性的类似状态是MRI机器的基础)。

根据Schouten，Sager-Smith和Mazziotti创建的模型，叶子中的激子有时可以以类似于激子凝聚行为的方式连接起来。

这是一个巨大的惊喜。只有当材料冷却到室温以下时，才会看到激子冷凝物。这有点像看到冰块在一杯热咖啡中形成。

“光合光捕获发生在室温的系统中，更重要的是，它的结构是无序的 - 与用于制造激子冷凝物的原始结晶材料和低温非常不同，”Schouten解释说。

科学家们说，这种效应不是完全的 - 它更类似于凝结水形成的“孤岛”。“但这仍然足以增强系统中的能量转移，”Sager-Smith说。事实上，他们的模型表明它可以将效率提高一倍。

这为为未来技术生产合成材料开辟了一些新的可能性，Mazziotti说。“理想激子冷凝水是敏感的，需要很多特殊条件，但对于实际应用，看到提高效率但在环境条件下可能发生的东西是令人兴奋的。

Mazziotti说，这一发现也有助于他的团队十年来一直在探索的更广泛的方法。

在光合作用等过程中，原子和分子之间的相互作用非常复杂 - 即使是超级计算机也难以处理 - 因此科学家们传统上不得不简化他们的模型才能掌握它们。但Mazziotti认为需要保留一些部分：“我们认为电子的局部相关性对于捕捉自然界的实际运作方式至关重要。

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