Hvordan en Newtons vugge for fotoner kunne avsløre fotosyntesens hemmeligheter

Stefan Steinbauer Unsplash

En populær enhet for å demonstrere bevaring av energi og momentum er Newtons vugge - en serie suspenderte baller i kontakt med hverandre. Enheten i sin moderne form ble sannsynligvis utviklet på 1960-tallet og deretter solgt som kontorleke. Men Newton, og forskjellige andre på 1600-tallet, var godt kjent med fysikken.

Disse prinsippene har universell anvendelse. De gjelder like godt på den kosmologiske skalaen som de gjør på den menneskelige skalaen. De gjelder også på atomær og subatomær skala, om enn modifisert av kvantemekanikkens merkelige lover.

Og det reiser et interessant spørsmål: er det mulig å bygge kvanteekvivalenten til en Newtons vugge ved å bruke subatomære partikler, for eksempel fotoner?

I dag får vi svar takket være arbeidet til Zhen Feng ved Shanghai Jiao Tong University i Kina og en gruppe kolleger. Disse fysikerne har skapt en Newtons vugge av fotoner og sier at fysikken som er involvert kan bidra til å forklare en rekke dårlig forstått energioverføringsprosesser i naturen, for eksempel fotosyntese og luktføling.

En Newtons vugge er en enkel enhet. En demonstrasjon begynner med å løfte og slippe ballen i den ene enden av den suspenderte serien. Når denne ballen kolliderer med den neste i rekken, overfører den sin energi og fart. Den andre ballen overfører deretter sin energi og momentum til neste ball og så videre, til den siste ballen blir drevet opp i luften. Den svinger bort og deretter tilbake, på hvilket tidspunkt prosessen med energi- og momentumoverføring gjentas i motsatt retning.

Det fine med enheten er at energi- og momentumoverføring ikke trenger å kontrolleres ved hvert trinn. I stedet er enheten konstruert på en måte som sikrer at overføringen skjer av seg selv. Den eneste innflytelsen eksperimentatoren har er på grensebetingelsen - høyden som den første ballen heves.

Spørsmålet som Zhen og co undersøker er om et lignende system kan konstrueres for å fungere med fotoner. Deres ekvivalent av vuggen er en serie bølgeledere skåret inn i en fotonisk brikke. Et foton går inn i den første bølgelederen, hopper deretter til den neste, og så videre, til det kommer ut av den siste bølgelederen. Totalt er det 23 bølgeledere i denne kjeden.

Avgjørende er at fotonet må beholde sin kvanteidentitet under hvert hopp. Så det kan ikke være noen dekoherens: fotonet som kommer frem må være gjenkjennelig det samme som det som kom inn i apparatet

En nøkkelfaktor er koblingen mellom bølgelederne. Dette styrer om fotonet kan gjøre hoppet vellykket eller reflekteres eller absorberes.

Så måten den fotoniske brikken er konstruert på er avgjørende. Faktisk perfeksjonerte Zhen og co designet sitt, så det er ikke nødvendig å kontrollere hvert hopp – det skjer bare på samme måte som energien overføres fra ball til ball i en Newtons vugge. Kjeden er i stand til å overføre energi mellom to avsidesliggende steder med samme måte for energiutveksling og interaksjonsmekanikk som Newtons vugge, sier Zhen og co.

Teamet introduserer også støy i vuggen for å se hvordan det reduserer overføringseffektiviteten. De gjør dette ved å legge til en ekstra bølgeleder - et øysted - ved siden av kjeden. Dette fremstår som en blindvei for fotoner og ser ut til å forhindre eller redusere energioverføringen. Den nylig tilførte øytomta kan betraktes som støy, defekt eller miljø for den opprinnelige grensekontrollerte kjeden, sier forskerne.

Men kontraintuitivt skjer det motsatte. Zhen og co viser at det er et bredt spekter av forhold der denne støyen forbedrer overføringseffektiviteten i stedet for å redusere den: Vi kan oppnå en økning på 8 % fra 77 % (uten defekt) til 85 % (med defekt).

Det har noen likheter med observasjoner av energioverføring i levende ting. Det viser seg at fotosyntetiske systemer oppfører seg på en lignende måte. Ulike forskningsgrupper har lagt merke til at defekter ser ut til å øke energioverføringen over de gigantiske molekylstrukturene som er involvert i fotosyntesen. En lignende effekt oppstår i luktføling, som antas å være et kvantefenomen.

Å kunne gjenskape denne forvirrende effekten i et kunstig system vil tillate forskere å studere den mer detaljert. Faktisk er den fotoniske Newtons vugge satt til å bli en nyttig modell for bedre å forstå livets prosesser. Newton ville blitt overrasket.

Ref: arxiv.org/abs/1901.07574 : Photonic Newtons Cradle for Remote Energy Transport

gjemme seg