Kvantenexperiment překvapuje i fyziku: Jak skutečně proudí energie
Nové experimente ukazují: Přenos energie závisí více na vibracích, než se předpokládalo. Podívejme se do kvantové laboratoře.
Přenos energie v molekulách patří mezi klíčové otázky fyziky a chemie. Rozhoduje o tom, jak funguje fotosyntéza, jak solární články přetváří světlo na elektrickou energii nebo jak se náboje pohybují prostřednictvím organických materiálů. Dlouho byl tento proces těžko přístupný, protože jednotlivé vlivy se experimentálně jen těžko oddělují. Tým vedený Guidem Paganem z Rice University nyní ukazuje, že právě to je možné – s pomocí speciálně vybudovaného kvantového simulátoru.
Molekul z světla a atomů
Místo zkoumání skutečné molekuly vědci vytvořili umělou. Základem byl řetězec z zachycených iontů, tedy elektricky nabitých atomů, které lze přesně řídit laserovým světlem. Dva různé izotopy téhož prvku přebíraly zřetelné role. Jeden izotop kódoval vlastnosti samotného molekuly, zatímco druhý představoval jeho okolí.
Tento systém se chová jako molekula se dvěma energetickými úrovněmi: donorovým místem, které energii vyzařuje, a akceptorovým místem, které ji přijímá. Důležitou roli hrají také vibrace – srovnatelné s vibracemi reálných molekul. Tyto vibrace jsou již dlouho považovány za klíč k lepšímu porozumění přenosu energie.
Proč jsou vibrace důležité
V klasických modelech byly molekulární vibrace často považovány za rušivý faktor. Odebírají systému energii a ztěžují čistý přenos. Nový experiment ukazuje jiný obraz. Vědci byli schopni cíleně nastavit dva různé typy vibrací a dále stanovit, jak silně tato energie uniká do okolí.
„Nyní můžeme sledovat, jak se energie pohybuje v syntetické molekule, zatímco nezávisle přizpůsobujeme každou proměnnou, abychom zjistili, co je opravdu důležité,“ řekl Pagano.
Kontrola namísto chemické náhody
Ve skutečných molekulách jsou elektronické stavy, vibrace a vlivy prostředí úzce propojeny. Jakákoli změna jednoho parametru téměř vždy ovlivní několik dalších. Kvantový simulátor tento problém obchází. Lasery s přesně nastavenými frekvencemi vytvářejí požadované energetické stavy a cíleně je spojují s vibracemi. Další mechanismus zajišťuje, že vibrace mají možnost ztrácet energii – podobně jako v reálných materiálech.
Tím vzniká experimentální situace, kterou klasická chemie sotva nabízí: Každý parametr lze individuálně upravit. Tak se stává viditelným, které faktory skutečně určují tok energie a které jsou jen vedlejším jevem.
Nečekaná robustnost energetického toku
Jedním z hlavních výsledků této studie se týká tzv. energetické ladění. Normálně efektivní přenos funguje pouze tehdy, když energie donoru a akceptoru dobře ladí. Pokud se výrazně liší, tok se zpomaluje. V experimentu se však ukázalo, že při několika vibracích tato harmonie ztrácí na významu. Přenos energie zůstává efektivní v mnohem širším rozsahu.
„Výsledky ukazují, že vibrace a jejich okolí nejsou pouhé pozadí, ale aktivně ovlivňují tok energie nečekaným způsobem,“ dodal Pagano.
Relevance pro techniku a materiály
Vědci zůstávají opatrní, co se týká přímých aplikací. I přesto je jasné, kde by výsledky mohly dlouhodobě najít uplatnění. Organické solární články, molekulární dráty nebo světlem aktivované materiály trpí často ztrátami během přenosu energie nebo náboje. Kdo pochopí, jak vibrace tento proces podporují, může navrhovat materiály, které z toho profitují.
„Toto jsou fenomény, jejichž existenci fyzikální chemici teoreticky předpokládali, avšak dosud je nebylo snadné experimentálně izolovat, zejména ne programově,“ dodal Visal So, doktorand na Rice University a hlavní autor studie.
