211service.com
Jak kolebka Newtona dla fotonów może ujawnić sekrety fotosyntezy
Stefana Steinbauera Unsplash
Jednym z popularnych urządzeń do demonstrowania zachowania energii i pędu jest kołyska Newtona — seria zawieszonych kulek, które stykają się ze sobą. Urządzenie w swojej nowoczesnej formie powstało prawdopodobnie w latach 60., a następnie sprzedawane było jako zabawka biurowa. Ale Newton i inni w XVII wieku byli dobrze zorientowani w jej fizyce.
Zasady te mają uniwersalne zastosowanie. Mają zastosowanie zarówno w skali kosmologicznej, jak i ludzkiej. Mają one również zastosowanie w skali atomowej i subatomowej, aczkolwiek zmodyfikowane przez dziwne prawa mechaniki kwantowej.
A to rodzi interesujące pytanie: czy możliwe jest zbudowanie kwantowego odpowiednika kołyski Newtona przy użyciu cząstek subatomowych, takich jak fotony?
Dziś otrzymujemy odpowiedź dzięki pracy Zhen Feng z Shanghai Jiao Tong University w Chinach i grupie kolegów. Fizycy ci stworzyli kolebkę Newtona z fotonów i twierdzą, że zaangażowana fizyka może pomóc wyjaśnić szereg słabo poznanych procesów przenoszenia energii w przyrodzie, takich jak fotosynteza i wykrywanie zapachów.
Kołyska Newtona to proste urządzenie. Pokaz rozpoczyna się od podniesienia i upuszczenia piłki na jednym końcu zawieszonej serii. Kiedy ta piłka zderza się z następną w linii, przekazuje swoją energię i pęd. Druga piłka następnie przenosi swoją energię i pęd na następną i tak dalej, aż ostatnia piłka zostanie wyrzucona w powietrze. Odchyla się, a następnie cofa, w którym to momencie proces przenoszenia energii i pędu powtarza się w przeciwnym kierunku.
Piękno urządzenia polega na tym, że transfer energii i pędu nie musi być kontrolowany na każdym kroku. Zamiast tego urządzenie jest zaprojektowane w sposób, który zapewnia, że transfer odbywa się samo. Jedyny wpływ, jaki ma eksperymentator, to warunek brzegowy — wysokość, na jaką unosi się pierwsza piłka.
Pytanie, które Zhen i współpracownicy badają, brzmi, czy podobny system można zaprojektować do pracy z fotonami. Ich odpowiednikiem kołyski jest seria falowodów wyrzeźbionych w fotonicznym chipie. Foton wchodzi do pierwszego falowodu, następnie przeskakuje do następnego i tak dalej, aż wyjdzie z ostatniego falowodu. W sumie w tym łańcuchu są 23 falowody.
Co najważniejsze, foton musi zachować swoją kwantową tożsamość podczas każdego skoku. Nie może więc być dekoherencji: wyłaniający się foton musi być rozpoznawalnie taki sam jak ten, który wszedł do aparatu
Kluczowym czynnikiem jest sprzężenie między falowodami. To decyduje o tym, czy foton może pomyślnie wykonać skok, czy też zostanie odbity lub pochłonięty.
Tak więc sposób, w jaki zaprojektowano chip fotoniczny, ma kluczowe znaczenie. Rzeczywiście, Zhen i współpracownicy udoskonalili swój projekt, więc nie ma potrzeby kontrolowania każdego skoku — to po prostu zachodzi w taki sam sposób, jak transfer energii z piłki do piłki w kołysce Newtona. Łańcuch jest w stanie przenosić energię między dwoma odległymi miejscami w ten sam sposób wymiany energii i mechaniki interakcji, jak kołyska Newtona, powiedzmy Zhen i spółka.
Zespół wprowadza również hałas do kołyski, aby zobaczyć, jak zmniejsza to wydajność transferu. Robią to, dodając dodatkowy falowód — miejsce na wyspie — obok łańcucha. Wydaje się to ślepą uliczką dla fotonów i wydaje się zapobiegać lub zmniejszać transfer energii. Naukowcy twierdzą, że nowo dodaną wyspę można uznać za hałas, defekt lub środowisko dla pierwotnego łańcucha kontrolowanego przez granice.
Ale wbrew intuicji dzieje się odwrotnie. Zhen i współpracownicy pokazują, że istnieje wiele warunków, w których hałas ten poprawia sprawność transmisji zamiast ją zmniejszać: Możemy uzyskać wzrost o 8% z 77% (bez wady) do 85% (z wadą).
Ma to pewne podobieństwa z obserwacjami transferu energii w organizmach żywych. Okazuje się, że systemy fotosyntetyczne zachowują się w podobny sposób. Różne grupy badawcze zauważyły, że defekty wydają się zwiększać transfer energii przez gigantyczne struktury molekularne zaangażowane w fotosyntezę. Podobny efekt występuje w wykrywaniu zapachów, które powszechnie uważa się za zjawisko kwantowe.
Możliwość odtworzenia tego zagadkowego efektu w sztucznym systemie pozwoli naukowcom zbadać go bardziej szczegółowo. Rzeczywiście, fotoniczna kolebka Newtona ma stać się użytecznym modelem do lepszego zrozumienia procesów życiowych. Newton byłby zdumiony.
Nr ref.: arxiv.org/abs/1901.07574 : Fotoniczna kołyska Newtona do zdalnego transportu energii