Come la culla di Newton per i fotoni potrebbe rivelare i segreti della fotosintesi

Stefan Steinbauer Spruzza

Un popolare dispositivo per dimostrare la conservazione dell'energia e della quantità di moto è la culla di Newton, una serie di sfere sospese in contatto l'una con l'altra. Il dispositivo nella sua forma moderna è stato probabilmente ideato negli anni '60 e poi venduto come giocattolo da ufficio. Ma Newton, e vari altri nel 17° secolo, erano ben versati nella sua fisica.

Questi principi hanno un'applicazione universale. Si applicano tanto alla scala cosmologica quanto a quella umana. Si applicano anche su scala atomica e subatomica, sebbene modificati dalle strane leggi della meccanica quantistica.

E questo solleva una domanda interessante: è possibile costruire l'equivalente quantistico di una culla di Newton usando particelle subatomiche, come i fotoni?

Oggi riceviamo una risposta grazie al lavoro di Zhen Feng presso la Shanghai Jiao Tong University in Cina e un gruppo di colleghi. Questi fisici hanno creato una culla di Newton dai fotoni e affermano che la fisica coinvolta potrebbe aiutare a spiegare una serie di processi di trasferimento di energia poco conosciuti in natura, come la fotosintesi e il rilevamento degli odori.

La culla di Newton è un dispositivo semplice. Una dimostrazione inizia sollevando e facendo cadere la palla a un'estremità della serie sospesa. Quando questa palla si scontra con la successiva in linea, trasferisce la sua energia e slancio. La seconda palla trasferisce quindi la sua energia e slancio alla palla successiva e così via, fino a quando l'ultima palla non viene lanciata in aria. Si allontana e poi torna indietro, a quel punto il processo di trasferimento di energia e quantità di moto si ripete nella direzione opposta.

Il bello del dispositivo è che il trasferimento di energia e slancio non ha bisogno di essere controllato ad ogni passaggio. Al contrario, il dispositivo è progettato in modo da garantire che il trasferimento avvenga da solo. L'unica influenza che lo sperimentatore ha è sulla condizione al contorno: l'altezza a cui viene sollevata la prima pallina.

La domanda su cui Zhen e colleghi indagano è se un sistema simile può essere progettato per funzionare con i fotoni. Il loro equivalente della culla è una serie di guide d'onda scolpite in un chip fotonico. Un fotone entra nella prima guida d'onda, quindi salta alla successiva e così via, fino a quando non emerge dall'ultima guida d'onda. In totale, ci sono 23 guide d'onda in questa catena.

Fondamentalmente, il fotone deve mantenere la sua identità quantistica durante ogni salto. Quindi non può esserci decoerenza: il fotone che emerge deve essere riconoscibilmente uguale a quello che è entrato nell'apparato

Un fattore chiave è l'accoppiamento tra le guide d'onda. Questo determina se il fotone può fare il salto con successo o viene riflesso o assorbito.

Quindi il modo in cui il chip fotonico è progettato è cruciale. In effetti, Zhen e compagni hanno perfezionato il loro design in modo che non sia necessario controllare ogni salto: si verifica semplicemente nello stesso modo in cui l'energia si trasferisce da una palla all'altra nella culla di Newton. La catena è in grado di trasferire energia tra due siti remoti con la stessa modalità di scambio di energia e meccanica di interazione della culla di Newton, affermano Zhen e co.

Il team introduce anche il rumore nella culla per vedere come riduce l'efficienza di trasferimento. Lo fanno aggiungendo una guida d'onda aggiuntiva, un sito insulare, accanto alla catena. Questo appare come un vicolo cieco per i fotoni e sembrerebbe impedire o ridurre il trasferimento di energia. Il sito dell'isola appena aggiunto può essere considerato un rumore, un difetto o un ambiente per la catena originale controllata dai confini, affermano i ricercatori.

Ma controintuitivamente, accade il contrario. Zhen e colleghi mostrano che esiste un'ampia gamma di condizioni in cui questo rumore migliora l'efficienza di trasmissione invece di ridurla: possiamo ottenere un aumento dell'8% dal 77% (senza difetto) all'85% (con difetto).

Ciò ha alcune somiglianze con le osservazioni sul trasferimento di energia negli esseri viventi. Si scopre che i sistemi fotosintetici si comportano in modo simile. Vari gruppi di ricerca hanno notato che i difetti sembrano aumentare il trasferimento di energia attraverso le gigantesche strutture molecolari coinvolte nella fotosintesi. Un effetto simile si verifica nel rilevamento degli odori, che è ampiamente ritenuto un fenomeno quantistico.

Essere in grado di riprodurre questo effetto sconcertante in un sistema artificiale consentirà ai ricercatori di studiarlo in modo più dettagliato. In effetti, la culla fotonica di Newton è destinata a diventare un modello utile per comprendere meglio i processi della vita. Newton sarebbe rimasto stupito.

Rif: arxiv.org/abs/1901.07574 : La culla fotonica di Newton per il trasporto di energia a distanza

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