211service.com
Jak mohla Newtonova kolébka pro fotony odhalit tajemství fotosyntézy
Štefan Steinbauer Unsplash
Jedním z populárních zařízení pro demonstraci zachování energie a hybnosti je Newtonova kolébka – řada zavěšených kuliček, které jsou ve vzájemném kontaktu. Zařízení ve své moderní podobě bylo pravděpodobně vymyšleno v 60. letech minulého století a poté se prodávalo jako kancelářská hračka. Ale Newton a různí jiní v 17. století byli dobře zběhlí v její fyzice.
Tyto principy mají univerzální použití. Uplatňují se stejně dobře v kosmologickém měřítku jako v měřítku lidském. Platí také v atomovém a subatomárním měřítku, i když modifikované podivnými zákony kvantové mechaniky.
A to vyvolává zajímavou otázku: je možné sestavit kvantový ekvivalent Newtonovy kolébky pomocí subatomárních částic, jako jsou fotony?
Dnes dostáváme odpověď díky práci Zhen Feng na Shanghai Jiao Tong University v Číně a skupině kolegů. Tito fyzici vytvořili Newtonovu kolébku z fotonů a říkají, že zapojená fyzika by mohla pomoci vysvětlit řadu špatně pochopených procesů přenosu energie v přírodě, jako je fotosyntéza a snímání zápachu.
Newtonova kolébka je jednoduché zařízení. Ukázka začíná zvednutím a upuštěním míče na jednom konci pozastavené série. Když se tato koule srazí s další v řadě, předá svou energii a hybnost. Druhý míček pak předá svou energii a hybnost dalšímu míči a tak dále, dokud není poslední míček vymrštěn do vzduchu. Odchýlí se pryč a pak zpět, v tomto okamžiku se proces přenosu energie a hybnosti opakuje v opačném směru.
Krása zařízení spočívá v tom, že přenos energie a hybnosti není třeba kontrolovat v každém kroku. Místo toho je zařízení navrženo tak, aby zajistilo, že přenos proběhne sám. Experimentátor má pouze vliv na okrajovou podmínku – výšku, ve které je zvednut první míč.
Otázkou, kterou Zhen a spol. zkoumají, je, zda lze podobný systém zkonstruovat pro práci s fotony. Jejich ekvivalentem kolébky je řada vlnovodů vyřezaných do fotonického čipu. Foton vstoupí do prvního vlnovodu, pak skočí na další a tak dále, dokud se nevynoří z posledního vlnovodu. Celkem je v tomto řetězci 23 vlnovodů.
Zásadní je, že foton si během každého skoku musí zachovat svou kvantovou identitu. Nemůže tedy dojít k dekoherenci: foton, který se objeví, musí být rozeznatelně stejný jako ten, který vstoupil do aparátu
Klíčovým faktorem je vazba mezi vlnovody. To určuje, zda foton může provést skok úspěšně, nebo je odražen nebo absorbován.
Zásadní je tedy způsob, jakým je fotonický čip navržen. Zhen a spol. skutečně zdokonalili svůj design, takže není potřeba ovládat každý skok – prostě k němu dochází stejným způsobem, jako se energie přenáší z míče na míč v Newtonově kolébce. Řetěz je schopen přenášet energii mezi dvěma vzdálenými místy stejným způsobem výměny energie a mechaniky interakce jako Newtonova kolébka, říkají Zhen a spol.
Tým také zavedl hluk do kolébky, aby zjistil, jak snižuje účinnost přenosu. Dělají to přidáním dalšího vlnovodu – ostrovního místa – vedle řetězce. To se jeví jako slepá ulička pro fotony a zdá se, že brání nebo snižuje přenos energie. Nově přidaná ostrovní lokalita může být považována za hluk, defekt nebo prostředí pro původní hraničně řízený řetězec, říkají výzkumníci.
Ale kontraintuitivně se děje pravý opak. Zhen a spol. ukazují, že existuje široká škála podmínek, ve kterých tento hluk zlepšuje účinnost přenosu místo toho, aby ji snižoval: Můžeme dosáhnout zvýšení o 8 % ze 77 % (bez závady) na 85 % (s závadou).
To má určité podobnosti s pozorováním přenosu energie v živých věcech. Ukazuje se, že fotosyntetické systémy se chovají podobně. Různé výzkumné skupiny si všimly, že defekty zřejmě zvyšují přenos energie napříč obřími molekulárními strukturami zapojenými do fotosyntézy. K podobnému efektu dochází při snímání zápachu, o kterém se všeobecně předpokládá, že jde o kvantový jev.
Schopnost reprodukovat tento záhadný efekt v umělém systému umožní výzkumníkům jej podrobněji studovat. Fotonická Newtonova kolébka se skutečně má stát užitečným modelem pro lepší pochopení procesů života. Newton by byl ohromen.
Ref: arxiv.org/abs/1901.07574 : Photonic Newton’s Cradle for Remote Energy Transport