하나의 광자만 필요합니다: ScienceAlert

광합성 동안 화학 물질의 교향곡은 빛을 식물, 조류 및 일부 박테리아 생활에 필요한 에너지로 변환합니다. 과학자들은 이제 이 놀라운 반응이 가능한 최소한의 빛, 즉 단 하나의 빛을 필요로 한다는 것을 알고 있습니다. 광자 – 우선 첫째로.

양자 광학 및 생물학 분야의 미국 연구원 팀은 단일 광자가 시작할 수 있음을 보여주었습니다. 광합성 보라색 박테리아에서 로도박터 스피로이데스그들은 모든 광합성 유기체가 진화 조상과 유사한 과정을 공유하기 때문에 식물과 조류에서 작동한다고 확신합니다.

연구팀은 그들의 발견이 광합성에 대한 우리의 지식을 발전시키고 재생 가능한 연료를 포함하여 광범위한 복잡한 생물학적, 화학적 및 물리적 시스템에서 양자 물리학의 교차점에 대한 더 나은 이해로 이어질 것이라고 말했습니다.

“광자가 흡수된 후 어떤 일이 일어나는지 이해하기 위해 전 세계적으로 엄청난 양의 이론적, 실험적 작업이 수행되었습니다.” 그는 말한다 캘리포니아 버클리 대학의 생화학자인 Graham Fleming은

“그러나 우리는 아무도 첫 번째 단계에 대해 이야기하지 않는다는 것을 깨달았습니다. 이것은 여전히 ​​상세한 답변이 필요한 질문이었습니다.”

엽록소 분자는 태양으로부터 광자를 받아 엽록소의 전자가 여기되고 다른 분자로 전달되어 식물에 영양분을 공급하고 산소를 방출하는 당의 구성 요소를 형성합니다.

태양은 우리에게 매우 많은 광자를 쏟아붓지 않습니다. 화창한 날에는 약 1,000개의 광자만이 초당 엽록소 분자에 도달합니다. 광자는 이 반응을 시작할 수 있습니다.

“자연은 매우 영리한 트릭을 발명했습니다.”라고 Fleming은 말했습니다. 그는 말한다.

연구원들은 잘 연구된 보라색 박테리아의 단백질 구조에 초점을 맞췄습니다. 가벼운 수확 2(LH2), 특정 파장에서 광자를 흡수할 수 있습니다.

특수 도구를 사용하여 그들은 다음을 사용하여 더 높은 에너지의 단일 광자에서 한 쌍의 광자를 만드는 광자 소스를 만들었습니다. 자발적 전환 한도 하향.

펄스 동안 “헤럴드(herald)”라고 불리는 첫 번째 광자는 매우 민감한 검출기에 의해 관찰되었으며 이는 보라색 박테리아의 실험실 샘플에서 LH2 분자와 상호 작용하는 파트너 광자의 도착을 나타냅니다.

파장 800나노미터의 광자가 LH2의 분자 고리에 부딪히면 에너지는 두 번째 고리로 이동하여 파장 850나노미터의 형광 광자를 방출합니다.

자연에서 이 에너지 전달은 광합성이 시작될 때까지 계속됩니다. 실험실에서 파장이 850나노미터인 광자를 발견한 것은 특히 LH2의 구조가 세포의 다른 부분과 분리되었기 때문에 이 과정이 시작되었다는 분명한 신호였습니다.

문제는 손실되기 쉬운 단일 광자를 다루는 것이었습니다. 이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 신호 광자를 가이드로 사용했습니다.

“제 생각에 첫 번째는 이 실험이 개별 광자로 실제로 일을 할 수 있다는 것을 보여주었다는 것입니다.” 그는 말한다 Berkeley의 화학물리학자 Birgitta Wally. “그래서 이것은 매우 중요한 포인트입니다.”

확률 분포 모델과 컴퓨터 알고리즘을 사용하여 팀은 177억 개 이상의 광자 감지 이벤트와 160만 개의 형광 광자 감지 이벤트를 분석했습니다.

포괄적인 분석은 연구원들이 결과가 단일 광자의 흡수로 인한 것일 뿐 다른 요인이 영향을 미칠 수 없다고 확신한다는 것을 의미합니다.

많은 사전 검색 후속 광합성 단계에는 빛을 흡수한 후 강력한 초고속 레이저 펄스를 광합성 분자에 보내는 것이 포함됩니다.

“레이저와 햇빛 사이에는 강도에 큰 차이가 있습니다. 일반적인 집중 레이저 빔은 햇빛보다 백만 배 더 밝습니다.”라고 그는 말합니다. 설명하다 버클리 출신의 양자 물리학자이자 엔지니어인 Quanwei Li.

광합성 동안 개별 광자가 어떻게 행동하는지 보여줌으로써 이 연구는 자연에서 에너지 전환 과정이 어떻게 작동하는지에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 인공 광합성 기술은 언젠가는 우주에서 지속 가능하게 생존하고 번성하는 열쇠가 될 것입니다.

Lee는 “양자 컴퓨터를 구축하기 위해 모든 입자를 이해해야 하는 것처럼”이라고 말했습니다. 추가하다우리는 생명체를 진정으로 이해하고 재생 가능한 연료를 생성하는 효율적인 합성 시스템을 만들기 위해 살아있는 시스템의 정량적 특성을 연구해야 합니다.

이 연구는 양자 광학과 생물학의 기술을 적용하고 결합하기 위해 일반적으로 함께 작동하지 않는 두 과학 분야에 독특한 기회였습니다.

“다음은 우리가 무엇을 더 할 수 있습니까?” 그는 말한다 윌리.

“우리의 목표는 가능한 가장 짧은 공간 및 시간 규모에서 광합성 복합체를 통해 개별 광자의 에너지 전달을 연구하는 것입니다.”

에 발표된 연구 자연.