葉子里的量子物理：光合作用中的凝聚態(tài)

什么是激子凝聚

激子是由電子和空穴（電子空缺）配對(duì)而形成的準(zhǔn)粒子，它們可以在固體材料中傳遞能量。激子是玻色子，也就是說(shuō)，它們遵循玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)，可以占據(jù)同一個(gè)量子態(tài)。當(dāng)溫度足夠低或者激子密度足夠高時(shí)，許多激子可以凝聚到一個(gè)相干的量子態(tài)中，形成激子凝聚體。

這種現(xiàn)象類似于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚，也就是我們熟知的超流和超導(dǎo)現(xiàn)象的原理。 激子凝聚體具有非常特殊的性質(zhì)，其中之一就是能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)摩擦的能量傳輸，也就是說(shuō)，激子可以在材料中自由地流動(dòng)，而不受任何阻礙或損耗。這對(duì)于尋找高效的能源轉(zhuǎn)換和利用系統(tǒng)具有重要的意義，但是實(shí)現(xiàn)激子凝聚并不容易，因?yàn)榧ぷ油ǔ勖芏?，很容易通過(guò)復(fù)合而衰變。目前已知能夠產(chǎn)生激子凝聚體的材料有限，而且通常需要在極端的條件下（如低溫、高磁場(chǎng)、高純度等）才能觀察到。

光合作用中的能量傳輸

與此相反，自然界中存在著一種在常溫下實(shí)現(xiàn)高效能量傳輸?shù)臋C(jī)制，那就是光合作用。光合作用是生物體將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過(guò)程，其中一個(gè)關(guān)鍵步驟是光捕獲復(fù)合物對(duì)光子的吸收和轉(zhuǎn)移。光捕獲復(fù)合物由一系列色素分子組成，每個(gè)色素分子可以吸收特定波長(zhǎng)的光，并將其轉(zhuǎn)化為電子激發(fā)態(tài)。這些電子激發(fā)態(tài)可以在色素分子之間進(jìn)行躍遷，形成色素分子間的激子。最終，這些激子會(huì)被反應(yīng)中心捕獲，并觸發(fā)一系列化學(xué)反應(yīng)，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

光合作用中的能量傳輸非常高效，在某些情況下甚至可以達(dá)到近乎100%的效率。這種高效的能量傳輸是如何實(shí)現(xiàn)的呢？科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，光合作用中的能量傳輸并不是簡(jiǎn)單的經(jīng)典躍遷，而是涉及到量子相干效應(yīng)。也就是說(shuō)，色素分子間的激子可以處于疊加態(tài)，同時(shí)存在于多個(gè)可能的路徑上。

這樣，激子就可以通過(guò)量子隧穿或者量子干涉等方式，更快地找到最優(yōu)的傳輸路徑，從而提高能量傳輸?shù)男屎退俣?。這種量子相干效應(yīng)在常溫下是很難保持的，因?yàn)闀?huì)受到環(huán)境的擾動(dòng)和噪音的影響，但是光合作用中的光捕獲復(fù)合物卻能夠利用一些特殊的機(jī)制，如色素分子的排列、振動(dòng)和保護(hù)等，來(lái)維持一定程度的量子相干。

激子凝聚類似的能量傳輸放大

那么，光合作用中的能量傳輸和激子凝聚有什么關(guān)系呢？這就是最近發(fā)表的一篇論文要探討的問(wèn)題。作者提出了一個(gè)假設(shè)：在光合作用中，是否存在一種激子凝聚類似的機(jī)制，可以放大能量傳輸中的激子數(shù)量，從而增強(qiáng)能量傳輸?shù)男屎退俣龋?br />
為了驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)，作者采用了一個(gè)光合作用中最簡(jiǎn)單也最常用的模型系統(tǒng)，即Fenna-MatthewsOlson（FMO）復(fù)合物。FMO復(fù)合物是一種存在于綠色硫細(xì)菌中的光捕獲復(fù)合物，由七個(gè)色素分子組成，每個(gè)色素分子可以用一個(gè)量子比特來(lái)描述。

作者在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上，引入了一個(gè)新的因素，考慮每個(gè)色素分子內(nèi)部的電子關(guān)聯(lián)。也就是說(shuō)，每個(gè)色素分子不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的量子比特，而是由多個(gè)量子比特組成的一個(gè)多體系統(tǒng)。這樣，每個(gè)色素分子就可以有多種激發(fā)態(tài)，而不僅僅是基態(tài)和單激發(fā)態(tài)。

作者通過(guò)數(shù)值模擬，研究了這種電子關(guān)聯(lián)對(duì)能量傳輸?shù)挠绊憽?作者發(fā)現(xiàn)，在考慮電子關(guān)聯(lián)的情況下，能量傳輸中出現(xiàn)了一種激子凝聚類似的放大效應(yīng)，也就是說(shuō)，在某些條件下，激子的數(shù)量會(huì)超過(guò)初始激發(fā)的光子的數(shù)量，從而增加了能量傳輸?shù)膹?qiáng)度。

這種放大效應(yīng)是通過(guò)粒子-空穴約化密度矩陣（RDM）來(lái)觀察的。RDM是一種描述多體系統(tǒng)中部分粒子之間關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)工具，可以用來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的一些物理量，如能量、熵等。 粒子-空穴RDM是一種特殊的RDM，它描述了系統(tǒng)中存在的粒子和空穴之間的關(guān)聯(lián)，也就是激子的關(guān)聯(lián)。

作者發(fā)現(xiàn)，在考慮電子關(guān)聯(lián)的情況下，粒子-空穴RDM中出現(xiàn)了一些非零對(duì)角元素，這意味著系統(tǒng)中存在著多個(gè)激子，并且它們處于相同的量子態(tài)，類似于激發(fā)子凝聚體。 作者進(jìn)一步分析了這種激子凝聚類似的放大效應(yīng)的特點(diǎn)和影響因素。

他們發(fā)現(xiàn)，這種放大效應(yīng)是隨著能量傳輸?shù)膭?dòng)力學(xué)而演化的，并且受到色素分子間和色素分子內(nèi)部的糾纏的影響。作者發(fā)現(xiàn)，在考慮電子關(guān)聯(lián)的情況下，色素分子間和色素分子內(nèi)部都會(huì)產(chǎn)生一定程度的糾纏，并且這些糾纏會(huì)影響激子凝聚類似的放大效應(yīng)的大小和性質(zhì)。

此外，作者還發(fā)現(xiàn)，初始激發(fā)模型（即選擇哪些色素分子作為初始激發(fā)源）和每個(gè)色素分子包含的量子比特?cái)?shù)量也會(huì)影響放大效應(yīng)。 最后，作者還探討了如何調(diào)節(jié)色素分子內(nèi)部的耦合強(qiáng)度來(lái)優(yōu)化能量傳輸?shù)乃俾?。他們發(fā)現(xiàn)，在考慮電子關(guān)聯(lián)的情況下，通過(guò)改變色素分子內(nèi)部不同量子比特之間的耦合強(qiáng)度，可以顯著地提高能量傳輸?shù)椒从持行牡乃俾?，并且存在一個(gè)最佳耦合強(qiáng)度，可以使能量傳輸速率達(dá)到最大值。

在這個(gè)最佳耦合強(qiáng)度下，能量傳輸速率可以比不考慮電子關(guān)聯(lián)的情況下提高近100%。

審核編輯：劉清