芝加哥大學的科學家們發現了光合作用和激子凝聚體之間的聯繫，這是一種允許能量在沒有摩擦的情況下流動的物理學狀態。這一令人驚訝的發現，通常與遠低於室溫的材料有關，可能為未來的電子設計提供信息，並幫助解開復雜的原子相互作用。

在一個實驗室裡，科學家們驚嘆於當他們將原子冷卻到接近絕對零度時形成的一種奇怪狀態。在他們的窗外，樹木收集陽光並將其轉化為新葉。這兩者似乎毫無關聯–但芝加哥大學的一項新研究表明，這些過程並不像表面上看起來那麼不同。

4月28日發表在《PRX能源》上的這項研究發現，光合作用和激子凝聚物之間在原子水平上存在聯繫–這是一種奇怪的物理狀態，允許能量無摩擦地流經一種材料。作者說，這一發現在科學上是引人入勝的，並可能為設計電子產品提出新的思路。

研究報告的共同作者David Mazziotti教授說：”據我們所知，這些領域以前從未被聯繫起來，所以我們發現這非常引人注目和令人興奮。”

Mazziotti的實驗室專門研究原子和分子的複雜相互作用的模型，因為它們顯示出有趣的特性。沒有辦法用肉眼看到這些相互作用，所以計算機建模可以給科學家提供一個窗口，了解這些行為發生的原因–也可以為設計未來的技術提供一個基礎。

特別是，Mazziotti和研究的共同作者Anna Schouten和LeeAnn Sager-Smith一直在模擬光合作用發生時在分子水平上發生的情況。

當來自太陽的光子照射到一片葉子上時，它在一個特別設計的分子中引發了變化。能量擊碎了一個電子。這個電子和它曾經所在的”洞”現在可以在葉子周圍旅行，把太陽的能量帶到另一個區域，在那裡引發化學反應，為植物製造糖分。

這種移動的電子和空穴對被稱為”激子”。當研究小組以鳥瞰的方式模擬多個激子如何移動時，他們注意到一些奇怪的現象。他們在激子的路徑上看到了看起來非常熟悉的模式。

事實上，它看起來非常像一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚物的材料中的行為，有時被稱為”物質的第五態”。在這種材料中，激子可以連接成相同的量子狀態，就像一組鈴鐺都在完美地敲響。這允許能量以零摩擦在材料中移動。(這些奇怪的行為讓科學家們感到好奇，因為它們可以成為卓越技術的種子–例如，一種叫做超導的類似狀態是核磁共振機器的基礎）。

他們在激子的路徑中看到的模式看起來非常熟悉。

根據Schouten、Sager-Smith和Mazziotti創建的模型，葉子中的激子有時可以以類似激子凝聚物行為的方式連接起來。只有當材料被冷卻到明顯低於室溫時，才會看到激子凝聚物。這就有點像在一杯熱咖啡中看到冰塊的形成。

Schouten解釋說：”光合作用採光是在一個處於室溫的系統中進行的，更重要的是，它的結構被破壞了–與用來製造激子凝聚物的原始結晶材料和低溫非常不同。”

科學家們說，這種效應並不完全是–它更像是形成凝結物的”島嶼”，但這仍然足以增強系統中的能量轉移。事實上，他們的模型表明，它的效率可以提高一倍之多。

Mazziotti說，這為生成未來技術的合成材料提供了一些新的可能性。”一個完美的理想激子凝結物是敏感的，需要很多特殊的條件，但是對於現實的應用來說，看到一些能提升效率但能在環境條件下發生的事情是令人興奮的。”這一發現也與他的團隊十年來一直在探索的一個更廣泛的方法有關。

在光合作用等過程中，原子和分子之間的相互作用是非常複雜的，甚至對超級計算機來說都很難處理，因此科學家們傳統上不得不簡化他們的模型，以便掌握它們。但是Mazziotti認為有些部分需要被保留下來：”我們認為電子的局部關聯對於捕捉自然界的實際運作方式至關重要。”

這項研究得到了美國國家科學基金會QuBBE量子躍遷挑戰研究所的部分支持。