این پدیده‌ای است که مهندسان برای چندین دهه سعی در شبیه‌سازی آن برای مهار انرژی پاک داشته‌اند.

به نقل از آی‌ای، به گفته پروفسور یورگن هاوئر (Jürgen Hauer)، یکی از نویسندگان این مطالعه، وقتی نور در برگ جذب می‌شود، انرژی تحریک الکترونیکی در چندین حالت از هر مولکول کلروفیل برانگیخته، توزیع می‌شود که به آن برهم نهی حالت‌های برانگیخته گفته می‌شود.

این اولین مرحله از انتقال انرژی تقریبا بدون تلفات درون و بین مولکول‌ها است و انتقال کارآمد انرژی خورشیدی را ممکن می‌سازد. بنابراین مکانیک کوانتومی برای درک اولین مراحل انتقال انرژی و جداسازی بار بسیار مهم است.

درک ترفندهای کوانتومی مورد استفاده توسط طبیعت

گیاهان و باکتری‌های فتوسنتزی مدت‌هاست کارایی خود را در تبدیل انرژی نشان داده‌اند که فیزیک معمولی در تلاش برای توضیح کامل آن است. هدف از این مطالعه مشخص کردن این است که چه چیزی کلروفیل را که رنگدانه‌ای است که به برگ‌ها رنگ سبز می‌دهد، به چنین برداشت‌کننده نور قدرتمندی تبدیل کرده است.

هاوئر و نویسنده اول اریکا کیل می‌گویند این یافته‌ها بخش مهمی را به معمای چگونگی انتقال انرژی در سطح کوانتومی می‌افزایند، دانشی که در تئوری می‌تواند به محققان کمک کند واحدهای فتوسنتز مصنوعی را برای بهره‌برداری از انرژی خورشیدی با کارایی بی‌سابقه توسعه دهند.

محققان با تمرکز بر دو بخش از طیف جذب کلروفیل، هم ناحیه کم انرژی (محدوده زرد تا قرمز) و هم منطقه پر انرژی (آبی تا سبز) را بررسی کردند. در ناحیه کم انرژی، دو حالت الکترونیکی نزدیک به هم به صورت مکانیکی کوانتومی جفت شده‌اند؛ تعاملی که نقش کلیدی در انتقال تقریبا بدون تلفات انرژی ایفا می‌کند.

سیستم برانگیخته متعاقبا با انتشار گرما از برانگیختگی در می‌آید. به گفته نویسندگان، این مرحله «خنک کردن» یک انتقال حیاتی از یک حالت پرانرژی به یک حالت انرژی کمتر بدون اتلاف انرژی است.

همانطور که هائور اشاره می‌کند، طبیعت راه حلی عالی برای تبدیل ورودی خورشید به انرژی شیمیایی پیدا کرده است. درک فعل و انفعالات پیچیده حالات کوانتومی در کلروفیل می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا روش‌های تولید برق یا فتوشیمی کارآمد مشابهی را مهندسی کنند.

تحقیقات در مورد این مکانیسم‌ها همچنان ادامه دارد، اما نویسندگان این نتایج را گامی مهم در جهت شبیه‌سازی شاهکارهای طبیعت می‌دانند که به طور بالقوه راه‌حل‌های انرژی‌های تجدیدپذیر کارآمدتر را ممکن می‌کند. این مطالعه با مشخص کردن چگونگی عملکرد گیاهان در سطح زیراتمی، ممکن است نوآوری‌های آینده را در جذب نیروی خورشید هدایت کند.