驾驭量子物理:新的可视化技术使人们对光合作用有了深入的了解

2023-06-13 11:35:48 来源:cnBeta 分享到:


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服从量子力学的系统是众所周知的难以视觉化,但伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种插图技术,在一种称为相干图的易读图表中显示量子特征。研究人员用这些图来研究支撑光合作用的量子机制,这是植物和一些细菌利用阳光将二氧化碳和水转化为食物的过程。

第一大学化学教授兼项目负责人南希-马克里说:"很难相信相干图是如此简单。当处理非直观的量子现象作为光合作用等复杂过程的一部分时,解释理论计算可能是一个相当大的挑战。但相干图在一个快照中告诉你你需要知道的一切。"

在最近发表在《物理化学快报》上的一项研究中,Makri的研究小组应用相干图,以一种新的方式分析了早期的光合作用细菌的计算机模拟。研究人员研究了"收获"阳光的分子复合体,吸收阳光并将其能量转移到一个处理二氧化碳和水的化学反应场所。相干图不仅清楚地显示了能量是如何转移到反应场所的,而且对这种转移给出了明确的量子解释。

Makri小组的工作被刊登在《物理化学快报》的封面上。细菌采光复合物的图表与说明复合物量子行为的相干图相对照。来源:《物理化学通讯》杂志

Makri解释说,相干图是还原密度矩阵的说明,这是一个包含关于一个系统的量子行为的所有信息的数学对象。她说:"即使是规模不大的系统,还原密度矩阵也会变得相当大,而且其所有组成部分都是相互关联的。这实在是太多的信息需要分析了。不过,有了相干图,光是看一眼就有大量的信息从图片中跳出来。"

据Makri说,这些信息使研究人员能够"非常透明地"确定细菌光收集复合体中的能量转移途径。该复合体包含一个外环和一个内环的分子。外环吸收太阳光,内环包含化学反应部位。Makri的研究小组表明,这两个环是由分子中的原子的运动连接起来的,相干图清楚地说明了这些运动将能量从外环集中到内环。展望未来,我相信相干图将成为基于量子力学的理论分析的一个宝贵工具。就在这项研究中,他们对光合作用机制给出了重要的见解,这是生物学的伟大奥秘之一。"

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