با استفاده از یک سیستم کوانتومی مصنوعی، فیزیکدانان دانشگاه هایدلبرگ فرایندهای کلیدی فتوسنتز را در سطح کوانتومی با تفکیک‌پذیری زمانی و فضایی بالا شبیه‌سازی کردند.

پروفسور ماتیاس وایدمولار و تیم علمی‌اش در آزمایش‌های خود با اتم‌های Rydberg، ویژگی‌های جدید انتقال انرژی را کشف کردند.

این موفقیت گام مهمی در پاسخ‌ به چگونگی مشارکت فیزیک کوانتومی در کارآیی تبدیل انرژی در سیستم‌های سنتز به طور مثال، در فتوولتائیک‌ است.

وایدمولار و همکارانش به دنبال این بودند که چگونه می‌توان انرژی نور را به صورت کارآمدی جمع‌آوری کرد و آن را در جای دیگری به شکل دیگری از انرژی (انرژی شیمیایی یا الکتریکی) تبدیل کرد.

انرژی نور در طبیعت در مجموعه‌های برداشت‌کننده انرژی پیچیده‌ و آرایه‌ای از پروتئین‌های غشا جذب می‌شود و سپس از طریق میکروآنتن‌ها به مرکز واکنش مولکولی منتقل می‌شود. در مرکز واکنش نور به انرژی شیمیایی تبدیل می‌شود.

به گفته وایدمولار، این فرایند صد درصد کارآمد است و دانشمندان تا پیش از این مطالعه، درک مشخصی از مکانیسم‌های مسئول این کارآیی شگفت‌انگیز نداشتند.

محققان در آزمایشاتشان از گازی از اتم‌ها که به دمایی نزدیک صفر مطلق خنک شده بود، استفاده کردند.

تعدادی از اتم‌ها با نور لیزر به وضعیت‌های الکتریکی بالا تهییج شدند. الکترون تهییج‌شده این «غول‌های اتمی» که اتم‌های Rydberg نام دارند، در فواصل میکروسکوپی معادل عرض تار موی انسان از هسته‌های اتمی قرار دارند.

بنابراین، این اتم‌ها سیستم ایده‌آلی را برای مطالعه پدیده‌هایی در انتقال بین جهان کلاسیک و میکروسکوپی و دنیای کوانتوم میکروسکوپی ارائه می‌دهند.

در این جا مشابه مجموعه‌های برداشت‌کننده انرژی فتوسنتز، انرژی از اتم Rydberg به اتم Rydberg منتقل می‌شود و هر اتم بسته‌های انرژی خود را به اتم‌های احاطه‌کننده درست مانند فرستنده رادیویی، منتقل می‌کند.

به منظور مشاهده انتقال انرژی، دانشمندان نخست باید شیوه‌ای را برای تصویربرداری از اتم‌های Rydberg می‌یافتند و این امر با استفاده از یک میکروسکوپ امکان‌پذیر نبود.

اپتیک کوانتومی نشان می‌داد که بیش از ۵۰ درصد اتم‌ها در درون شعاع حول یک اتم قادر به جذب نور لیزر بودند و در این روش هر اتم سایه‌ای ریز را در تصویر میکروسکوپی خلق می‌کند و به دانشمندان امکان ارزیابی موقعیت‌های اتم‌های Rydberg را می‌دهد.

این واقعیت که تکنیک مزبور مشاهده انتقال انرژی را آسان می‌کرد، مایه تعجب بود. با این حال، بررسی غول‌های اتمی نشان داد که چگونه تهییج‌های Rydberg که در دریایی از اتم‌ها غرق شده‌اند، از مکان‌های اولیه خود به سمت همسایگان اتمی‌شان مانند پخش‌شدن جوهر بر روی کاغذ، منتشر می‌شوند.

با استفاده از یک مدل ریاضی، تیم علمی نشان داد که دریای اتمی بر انتقال انرژی از اتم Rydberg به اتم Rydberg تاثیرگذار است.