Forschung & Entwicklung

Lichtumwandlung quantenmechanisch entschlüsselt

Ein physikalisches Experiment bildet die grundlege Struktur einer Pflanzenzelle ab und liefert neue Erkenntnisse zur Photosynthese und deren hohe Effizienz.

Pflanzen können Sonnenlicht mit hoher Effizienz in chemische Energie umwandeln. Wie sie das schaffen, ist bis heute nicht geklärt. Physiker der Schweizer Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) haben zusammen mit Wissenschaftlern der britischen University of Cambridge und der US-amerikanischen Princeton University nun ein quantenphysikalisches Modell gebaut, das diese Frage beantworten soll.

Verschiedene Experimente der letzten Jahre deuten darauf hin, dass quantenphysikalische Effekte bei der Energieumwandlung eine wichtige Rolle spielen. Dabei handelt es sich um eine paradoxe Situation: Auf der einen Seite prägen quantenphysikalische Effekte das Geschehen, auf der andern Seite läuft die Photosynthese in einem wässrigen und warmen Umfeld ab, in dem die Regeln der klassischen Physik gelten, erklären die Physiker. Gerade in diesem scheinbaren Widerspruch könne jedoch der Schlüssel verborgen liegen, glauben die Forscher: Mehrere theoretische Modelle stützen die Vermutung, dass das Zusammenspiel dieser zwei Welten die hohe Effizienz der Photosynthese erklärt. Ob das tatsächlich so ist, ließ sich bisher experimentell jedoch nicht überprüfen.

Genau diese Lücke haben die Wissenschaftler nun geschlossen. Sie entwickelten eine Versuchsanordnung, mit der sich die verschiedenen theoretischen Modelle experimentell verifizieren lassen. Es handelt sich dabei um ein einfaches, vollständig kontrolliertes Quantensystem, das im Modellmaßstab eine grundlegende Struktur abbildet, wie sie in pflanzlichen Zellen vorkommt. Dessen Kernstück sind drei supraleitende Quantenbits (Qubits), die unterschiedlich stark miteinander gekoppelt sind. Sie repräsentieren Chlorophyll-Moleküle, welche die Lichtenergie aufnehmen und an einen ATP-bildenden Enyzmkomplex weitergeben. Das ATP-Molekül ist der zentrale Baustein der Energieversorgung in den Pflanzen.

Die Experimente der Physiker bestätigen die Vermutung, dass die natürlichen Schwingungen der Chlorophyll-Moleküle eine zentrale Rolle beim Energietransfer spielen. Je nachdem, wie schnell sich die Moleküle bewegen, wird die Energie mehr oder weniger effizient transportiert. Mit den drei gekoppelten Qubits haben die Wissenschaftler eine Anordnung entwickelt, welche die realen Bedingungen in den Pflanzenzellen allerdings nur rudimentär abbildet. Nachdem sich nun grundsätzlich demonstrieren ließ, dass das System die Vorgänge realistisch abbildet, planen die Wissenschaftler in einem nächsten Schritt, komplexere Systeme mit mehr Qubits zu bauen, um das Geheimnis der Photosynthese endlich zu lüften.

Dieses Verständnis könnte dazu beitragen, dass Licht künftig in Photovoltaikzellen effizienter in Strom umgewandelt wird als bisher. Der experimentelle Ansatz der Forscher könnte auch in anderen Bereichen neue Einsichten vermitteln. So vermuten Wissenschaftler beispielsweise, dass auch unser Geruchssinn auf einer Kombination von Quantenphysik und klassischer Physik basiert. Denn mit klassischer Physik alleine lässt sich nicht erklären, warum wir derart viele Gerüche unterscheiden können.

Originalveröffentlichung:

[Potočnik A. et al., Studying Light-Harvesting Models with Superconducting Circuits, Nat. Commun. 9 (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-03312-x]

von mg

www.qudev.ethz.ch

© photonik.de 2018 - Alle Rechte vorbehalten