Физикам впервые удалось доказать, что процессы фотосинтеза протекают при содействии квантовых эффектов — белковые "антенны" в хлоропластах растений и бактерий оказались синхронизированы на квантовом уровне, что в несколько раз улучшает эффективность захвата фотонов и их преобразование в электроны, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.
Ван Хюлст и его коллеги смогли впервые зафиксировать присутствие квантовых эффектов внутри компонентов системы фотосинтеза, создав особый микроскоп, позволявший им отслеживать изменения в их состоянии через фемтосекунду (10 в минус 16 степени секунды). За это время свет успевает пройти расстояние в несколько нанометров, что позволяет получать микроснимки молекул на разных этапах поглощения фотонов.
Ученые извлекли молекулы хлорофилловых "антенн" и других компонентов системы фотосинтеза из клеток пурпурных бактерий и проследили за тем, как они будут взаимодействовать со светом. Для этого ученые облучали их фемтосекундными импульсами света, получали снимки и наблюдали за тем, как менялось химическое состояние среды. Оказалось, что молекулы-"антенны" были синхронизированы на квантовом уровне, работая как одно целое в течение нескольких сотен фемтосекунд.
По словам физиков, это свойство помогает этим компонентам системы фотосинтеза захватывать фотоны и использовать их энергию для транспортировки свободных электронов даже при резких изменениях в условиях окружающей среды. Как полагают авторы статьи, данное свойство можно использовать для многократного улучшения КПД солнечных батарей в будущем, вплоть до 95% эффективности, которая характерна для растений.
