211service.com
Hoe een Newtons wieg voor fotonen de geheimen van fotosynthese zou kunnen onthullen
Stefan Steinbauer Unsplash
Een populair apparaat om het behoud van energie en momentum aan te tonen, is de wieg van Newton - een reeks opgehangen ballen die met elkaar in contact staan. Het apparaat in zijn moderne vorm is waarschijnlijk in de jaren zestig bedacht en vervolgens verkocht als kantoorspeelgoed. Maar Newton, en verschillende anderen in de 17e eeuw, waren goed thuis in zijn fysica.
Deze principes zijn universeel toepasbaar. Ze zijn zowel van toepassing op de kosmologische schaal als op de menselijke schaal. Ze zijn ook van toepassing op atomaire en subatomaire schaal, zij het gewijzigd door de vreemde wetten van de kwantummechanica.
En dat roept een interessante vraag op: is het mogelijk om het kwantumequivalent van een Newtons wieg te bouwen met behulp van subatomaire deeltjes, zoals fotonen?
Vandaag krijgen we een antwoord dankzij het werk van Zhen Feng aan de Shanghai Jiao Tong University in China en een groep collega's. Deze natuurkundigen hebben de wieg van Newton gemaakt van fotonen en zeggen dat de betrokken fysica kan helpen bij het verklaren van een reeks slecht begrepen energieoverdrachtsprocessen in de natuur, zoals fotosynthese en geurdetectie.
De wieg van een Newton is een eenvoudig apparaat. Een demonstratie begint met het optillen en laten vallen van de bal aan het ene uiteinde van de onderbroken reeks. Wanneer deze bal botst met de volgende in de rij, draagt hij zijn energie en momentum over. De tweede bal draagt dan zijn energie en momentum over aan de volgende bal, enzovoort, totdat de laatste bal de lucht in wordt gestuwd. Het zwaait heen en weer, waarna het proces van energie- en impulsoverdracht zich in de tegenovergestelde richting herhaalt.
Het mooie van het apparaat is dat de overdracht van energie en momentum niet bij elke stap gecontroleerd hoeft te worden. In plaats daarvan is het apparaat zo ontworpen dat de overdracht vanzelf plaatsvindt. De enige invloed die de onderzoeker heeft, is de randvoorwaarde: de hoogte waarop de eerste bal wordt opgetild.
De vraag die Zhen en co onderzoeken is of een soortgelijk systeem kan worden ontworpen om met fotonen te werken. Hun equivalent van de wieg is een reeks golfgeleiders die in een fotonische chip zijn uitgehouwen. Een foton komt de eerste golfgeleider binnen, springt dan naar de volgende, enzovoort, totdat het uit de laatste golfgeleider tevoorschijn komt. In totaal zitten er 23 golfgeleiders in deze keten.
Cruciaal is dat het foton tijdens elke sprong zijn kwantumidentiteit moet behouden. Er kan dus geen decoherentie zijn: het foton dat tevoorschijn komt moet herkenbaar hetzelfde zijn als het foton dat het apparaat is binnengekomen
Een belangrijke factor is de koppeling tussen de golfgeleiders. Dit bepaalt of het foton de sprong succesvol kan maken of wordt gereflecteerd of geabsorbeerd.
Dus de manier waarop de fotonische chip is ontworpen, is cruciaal. Inderdaad, Zhen en co hebben hun ontwerp geperfectioneerd, zodat het niet nodig is om elke sprong te besturen - het gebeurt gewoon op dezelfde manier als de energieoverdracht van bal naar bal in de wieg van een Newton. De keten is in staat om energie over te dragen tussen twee afgelegen locaties met dezelfde manier van energie-uitwisseling en interactiemechanica van de wieg van Newton, zeggen Zhen en co.
Het team introduceert ook geluid in de wieg om te zien hoe het de overdrachtsefficiëntie vermindert. Ze doen dit door een extra golfgeleider - een eilandsite - naast de ketting toe te voegen. Dit lijkt een doodlopende weg voor fotonen en lijkt de energieoverdracht te voorkomen of te verminderen. De nieuw toegevoegde eilandsite kan worden beschouwd als geluid, defect of omgeving voor de oorspronkelijke grensgecontroleerde keten, zeggen de onderzoekers.
Maar contra-intuïtief gebeurt het tegenovergestelde. Zhen en co laten zien dat er een breed scala aan omstandigheden is waarin dit geluid de transmissie-efficiëntie verbetert in plaats van vermindert: we kunnen een toename van 8% behalen van 77% (zonder defect) tot 85% (met defect).
Dat heeft enige overeenkomsten met waarnemingen van energieoverdracht in levende wezens. Het blijkt dat fotosynthetische systemen zich op een vergelijkbare manier gedragen. Verschillende onderzoeksgroepen hebben opgemerkt dat defecten de energieoverdracht lijken te verbeteren over de gigantische moleculaire structuren die betrokken zijn bij fotosynthese. Een soortgelijk effect treedt op bij geurdetectie, waarvan algemeen wordt aangenomen dat het een kwantumfenomeen is.
Door dit raadselachtige effect in een kunstmatig systeem te kunnen reproduceren, kunnen onderzoekers het in meer detail bestuderen. Inderdaad, de wieg van de fotonische Newton zal een bruikbaar model worden voor een beter begrip van de levensprocessen. Newton zou verbaasd zijn geweest.
Referentie: arxiv.org/abs/1901.07574 : Photonic Newton's Cradle voor energietransport op afstand