Nya fynd avslöjar hur naturen har utvecklat smarta sätt att optimera energiöverföring i biologiska system. Fenomenet kallas kvantkoherens och verkar bland annat användas av vissa fotosyntetiska organismer. Nu ska forskare ta reda på om det går att kontrollera koherens och utnyttja det för att skapa bland annat effektivare solceller och kvantdatorer.
Projektanslag 2011
Controlling quantum coherence
Huvudsökande:
Tõnu Pullerits, professor i kemisk fysik
Medsökande:
Andreas Wacker
Arkady Yartsev
Donatas Zigmantas
Ivan Scheblykin
Johan Mauritsson
Petter Persson
Stefan Kröll
Villy Sundström
Lärosäte:
Lunds universitet
Beviljat anslag:
37,6 miljoner kronor under fem år
Kvantfysik har en central betydelse i många naturliga system. Det har blivit en trivial sanning. Men nu börjar forskare undan för undan nysta upp hur processerna fungerar i detalj.
I molekylernas värld beskrivs allt, från atomer till biologiska pigment, utifrån kvantmekanikens grundläggande principer av en vågfunktion. När vågfunktioner svänger i fas genom dynamiska processer uppstår kvantkoherens. Det är ett fenomen som har väckt allt större intresse inom forskningen, eftersom vissa resultat tyder på att koherens har betydelse för fotosyntesen, den process som omvandlar solens energi till växter på jorden, berättar Tõnu Pullerits, professor i kemisk fysik vid Lunds universitet.
– Det pågår många diskussioner och det finns indikationer som tyder på att naturen kan använda sådana tricks för effektiv energiöverföring, även om det inte är klarlagt ännu, konstaterar han.
Tar många vägar samtidigt
Koherens gör det möjligt för fotonerna att i ett grönt blad finna den kortaste vägen genom att ta alla möjliga vägar samtidigt, och sedan ”välja” den bästa. Energiöverföringen blir nästan fulländad.
Man kan också likna processen vid Vasaloppet, berättar den erfarne skidåkaren Tõnu Pullerits. Vid starten går alla 16 000 deltagare samtidigt i samma riktning och formar ett brett fält.
– Sedan kommer flaskhalsen. Längs spåret finns buskage som man kan passera från vänster eller höger sida. Ungefär där blir det oftast stopp för mig. Det är nämligen svårt att veta vilken sida som fastnar först, och därför är det viktigt att vara på rätt sida. Men i den kvantmekaniska världen så kan man gå fram på båda sidorna samtidigt, för att använda en förenklad visualisering.
Andra regler gäller i denna mikrovärld och koherens öppnar för dramatiska effektivitetsförbättringar i dynamiska processer som elektron- och energiöverföring. Det banar också väg för nya tillämpningar. Man kan exempelvis tänka sig att skapa mycket effektivare solceller än dagens, och möjligen nya supersnabba kvantdatorer.
Vill kontrollera koherens
Men vägen är fortfarande lång. Först måste forskarna lyckas förstå koherens och kunna utnyttja och kontrollera fenomenet. För att nå dit krävs fortsatt omfattande grundforskning.
Tack vare ett anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse blir det nu möjligt för Lundaforskarna, som är bland världens ledande på området, att gå på djupet i frågan. Både teoretiska och experimentella forskare är involverade i ett nytt projekt och drar nytta av den senaste tekniska utvecklingen. Genom attosekundsspektroskopi kan man nu även studera elektroners rörelse i molekyler på detaljnivå.
– En grundläggande fråga är vad som händer när elektroner absorberar ljus. Än så länge kan vi bara studera relativt små molekyler, och det dröjer innan det går att utföra studier på hela molekylära komplex. Men vi kan ändå lära oss om basala principer även från små molekyler, säger Tõnu Pullerits.
Betydelse för hjärnan
Kanske kan kvantkoherens till och med bidra med förklaringar till hur hjärnan fungerar. I Lund finns Pufendorfinstitutet, en tvärvetenskaplig forskningsmiljö vars tillkomst finansierades av Marianne och Marcus Wallenbergs Stiftelse 2009. Där inleds hösten 2012 ett nytt projekt inom kvantbiologi.
Bland annat ska forskarna diskutera idén från den brittiske matematikern Roger Penrose att kvantkoherens kan vara en infallsvinkel för att studera informationsflöden i hjärnan. Det skulle därmed bidra till ny kunskap om hur hjärnan agerar och hur den fria viljan genereras.
Det är en mer filosofisk nivå, konstaterar Tõnu Pullerits. Men det finns också andra naturliga processer där koherens tycks vara involverat, till exempel när det gäller att förstå hur flyttfåglar orienterar sig när de ger sig av till sydligare regioner.
Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström
