Wie eine Newtonsche Wiege für Photonen die Geheimnisse der Photosynthese lüften könnte

Stefan Steinbauer | Unsplash

Ein beliebtes Gerät zur Demonstration der Erhaltung von Energie und Impuls ist Newtons Wiege – eine Reihe schwebender Kugeln, die miteinander in Kontakt stehen. Das Gerät in seiner modernen Form wurde wahrscheinlich in den 1960er Jahren entwickelt und dann als Bürospielzeug verkauft. Aber Newton und viele andere im 17. Jahrhundert waren in ihrer Physik sehr versiert.

Diese Prinzipien sind universell anwendbar. Sie gelten sowohl im kosmologischen Maßstab als auch im menschlichen Maßstab. Sie gelten auch auf atomarer und subatomarer Ebene, wenn auch modifiziert durch die seltsamen Gesetze der Quantenmechanik.

Und das wirft eine interessante Frage auf: Ist es möglich, das Quantenäquivalent einer Newtonschen Wiege mit subatomaren Teilchen wie Photonen zu bauen?

Heute erhalten wir dank der Arbeit von Zhen Feng von der Shanghai Jiao Tong University in China und einer Gruppe von Kollegen eine Antwort. Diese Physiker haben aus Photonen eine Newtonsche Wiege geschaffen und sagen, dass die beteiligte Physik dabei helfen könnte, eine Reihe von kaum verstandenen Energieübertragungsprozessen in der Natur zu erklären, wie etwa Photosynthese und Geruchswahrnehmung.

Eine Newton-Wiege ist ein einfaches Gerät. Eine Demonstration beginnt mit dem Anheben und Fallenlassen des Balls an einem Ende der aufgehängten Reihe. Wenn dieser Ball mit dem nächsten in der Reihe kollidiert, überträgt er seine Energie und seinen Impuls. Der zweite Ball überträgt dann seine Energie und seinen Impuls auf den nächsten Ball und so weiter, bis der letzte Ball in die Luft geschleudert wird. Es schwingt weg und dann zurück, an diesem Punkt wiederholt sich der Prozess der Energie- und Impulsübertragung in die entgegengesetzte Richtung.

Das Schöne an dem Gerät ist, dass die Energie- und Impulsübertragung nicht bei jedem Schritt kontrolliert werden muss. Stattdessen ist das Gerät so konstruiert, dass die Übertragung von selbst erfolgt. Der einzige Einfluss, den der Experimentator hat, ist die Randbedingung – die Höhe, in der die erste Kugel angehoben wird.

Die Frage, die Zhen und Co. untersuchen, ist, ob ein ähnliches System so konstruiert werden kann, dass es mit Photonen arbeitet. Ihr Äquivalent zur Wiege ist eine Reihe von Wellenleitern, die in einen photonischen Chip geschnitzt sind. Ein Photon tritt in den ersten Wellenleiter ein, springt dann zum nächsten und so weiter, bis es aus dem letzten Wellenleiter austritt. Insgesamt gibt es in dieser Kette 23 Wellenleiter.

Entscheidend ist, dass das Photon bei jedem Sprung seine Quantenidentität behält. Es kann also keine Dekohärenz geben: Das austretende Photon muss erkennbar dasselbe sein wie das in den Apparat eingetretene

Ein Schlüsselfaktor ist die Kopplung zwischen den Wellenleitern. Davon hängt ab, ob das Photon den Sprung erfolgreich machen kann oder ob es reflektiert oder absorbiert wird.

Daher ist die Art und Weise, wie der photonische Chip entwickelt wird, entscheidend. Tatsächlich haben Zhen und Co. ihr Design perfektioniert, sodass es nicht notwendig ist, jeden Sprung zu kontrollieren – es geschieht einfach auf die gleiche Weise wie die Energieübertragung von Kugel zu Kugel in einer Newton-Wiege. Die Kette ist in der Lage, Energie zwischen zwei entfernten Orten mit der gleichen Art des Energieaustauschs und der gleichen Interaktionsmechanik wie Newtons Wiege zu übertragen, sagen Zhen und Co.

Das Team führt auch Rauschen in die Wiege ein, um zu sehen, wie es die Übertragungseffizienz verringert. Sie tun dies, indem sie einen zusätzlichen Wellenleiter – eine Inselstelle – neben der Kette hinzufügen. Dies erscheint als Sackgasse für Photonen und scheint die Energieübertragung zu verhindern oder zu reduzieren. Der neu hinzugefügte Inselstandort kann als Rauschen, Defekt oder Umgebung für die ursprünglich grenzkontrollierte Kette angesehen werden, sagen die Forscher.

Aber kontraintuitiv passiert das Gegenteil. Zhen und Co zeigen, dass es eine Vielzahl von Bedingungen gibt, unter denen dieses Rauschen die Übertragungseffizienz verbessert, anstatt sie zu verringern: Wir können eine Steigerung von 8 % von 77 % (ohne Defekt) auf 85 % (mit Defekt) erzielen.

Das hat einige Ähnlichkeiten mit Beobachtungen der Energieübertragung in Lebewesen. Es stellt sich heraus, dass photosynthetische Systeme sich ähnlich verhalten. Verschiedene Forschungsgruppen haben festgestellt, dass Defekte den Energietransfer über die riesigen molekularen Strukturen, die an der Photosynthese beteiligt sind, zu verbessern scheinen. Ein ähnlicher Effekt tritt bei der Geruchswahrnehmung auf, von der allgemein angenommen wird, dass es sich um ein Quantenphänomen handelt.

Die Möglichkeit, diesen rätselhaften Effekt in einem künstlichen System zu reproduzieren, wird es den Forschern ermöglichen, ihn genauer zu untersuchen. Tatsächlich soll die photonische Newton-Wiege zu einem nützlichen Modell werden, um die Prozesse des Lebens besser zu verstehen. Newton wäre erstaunt gewesen.

Ref: arxiv.org/abs/1901.07574 : Photonische Newton-Wiege für den Fernenergietransport

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