Dal SchwartzReport del 4 marzo 2010

Traduzione a cura di Erica Dellago e Clea Nardi

“The increasing incidence of work coming out in a wide spectrum of scientific disciplines concerning quantum processes and life processes represents an enormously important trend that is changing our understanding of how the world works.”

Thanks to Larry Dossey, MD.

KATE MCALPINE – New Scientist (U.K.)

Mentre i fisici si sforzano di portare computer quantici a funzionare a temperature criogeniche, altri ricercatori affermano che modeste alghe e batteri potrebbero aver compiuto calcoli quantistici a normali temperature per miliardi di anni.

La dimostrazione proviene da uno studio sulle abilita’ dell’energia di viaggiare attraverso le molecole incaricate di raccogliere la luce nella fotosintesi. Il lavoro è culminato questa settimana nello straordinario annuncio che in un’alga marina queste molecole possono sfruttare i processi quantistici per il trasferimento di energia a temperatura ambiente senza alcuna perdita. In precedenza i fisici avevano escluso i processi quantici, sostenendo che questi non avrebbero potuto persistere a tali temperature per un periodo sufficiente a permettere la realizzazione di qualcosa di utile.

La fotosintesi inizia quando strutture di raccolta della luce chiamate “antenne” catturano i fotoni. Nell’alga chiamata Chroomonas CCMP270, queste antenne hanno otto molecole di pigmento intrecciate in una più ampia struttura proteica, con diversi pigmenti che assorbono la luce provenienti da differenti parti dello spettro. L’energia dei fotoni viaggia poi attraverso l’antenna verso una parte della cellula in cui viene utilizzata per produrre combustibile chimico.

L’itinerario percorso dall’energia quando salta attraverso queste molecole è importante, perché viaggi eccessivamente lunghi potrebbero generare perdite. Nella fisica classica, l’energia può farsi strada attraverso le molecole solo in modo casuale. “La teoria tradizionale sul trasferimento di energia ci dice che essa rimbalza da molecola in molecola in modo casuale, come l’itinerario di ritorno a casa dal bar di un marinaio ubriaco”, dice Gregory Scholes dell’Università di Toronto, Canada, uno dei co-autori del saggio pubblicato su Nature di questa settimana.

Ma Scholes e i suoi colleghi hanno scoperto che il meccanismo di trasferimento dell’energia può essere in realtà molto efficiente. La conferma proviene dal comportamento delle molecole di pigmento al centro dell’antenna del Chroomonas. In fase iniziale, il team di scienziati ha eccitato due di queste molecole con un breve impulso laser, causando il salto degli elettroni delle stesse in una superposizione quantistica di stati eccitati. Quando questa superposizione è collassata, ha emesso fotoni di lunghezze d’onda lievemente diverse, che si sono uniti a formare un modello di interferenza. Attraverso lo studio di questo modello all’interno della luce prodotta, il team può elaborare i dettagli della superposizione quantistica che lo ha creato.

I risultati sono stati una sorpresa: non sono solo le due molecole di pigmento al centro dell’antenna a trovarsi coinvolte nella superposizione, ma anche le altre sei. Questa “coerenza quantistica” le lega insieme per dei fugaci 400 femtosecondi (4 x 10-13 secondi), ma questo tempo è sufficiente a permettere all’energia derivante dal fotone assorbito di “provare” simultaneamente tutte le possibili vie all’interno dell’antenna. Quando la coerenza termina, l’energia si stabilisce su un percorso, permettendole di fare il viaggio senza perdite.

I risultati sono stati una sorpresa: non sono solo le due molecole di pigmento al centro dell’antenna a trovarsi coinvolte nella superposizione, ma anche le altre sei. Questa “coerenza quantistica” le lega insieme per dei fugaci 400 femtosecondi (4 x 10-13 secondi), ma questo tempo è sufficiente a permettere all’energia derivante dal fotone assorbito di “provare” simultaneamente tutte le possibili vie all’interno dell’antenna. Quando la coerenza termina, l’energia si stabilisce su un percorso, permettendole di fare il viaggio senza perdite.

La scoperta sovverte alcune radicate convinzioni sulle meccaniche quantistiche, le quali stabiliscono che la coerenza quantistica non potrebbe verificarsi ad altre temperature al di fuori di quelle criogeniche, in quanto un ambiente caldo ne distruggerebbe l’effetto. Ciò nonostante, le alghe Chroomonas portano a termine il loro processo a 21°C.

“Il lavoro di Schole è fantastico.” dice Gregory Engel dell’Università di Chicago, “La difficoltà di questo esperimento è straordinaria.” Engel dimostrò lo stesso principio nel 2007 all’Università della California, Berkeley, sebbene a una glaciale temperatura di -195°C. Il suo team esaminò un complesso batterioclorofilla trovato nei batteri verdi dello zolfo e scoprì che le molecole di pigmento erano cablate insieme come in una rete a meccanica quantica. Il suo esperimento mostrò come la superposizione quantistica permetta all’energia di esplorare tutte le strade possibili e stabilizzarsi sulla più efficiente). “In un certo senso,” dice, “l’antenna esegue un calcolo quantistico per determinare la via migliore per trasferire l’energia”.

Engel e il suo gruppo di Chicago hanno appena ripetuto l’esperimento a una temperatura più accettabile di 4°C, ed hanno scoperto che la durata della coerenza si aggira intorno ai 300 femtosecondi.

“Come esattamente queste molecole possano rimanere coerenti così a lungo, a così alte temperature e con spazi relativamente ampi tra loro, è un mistero”, dice Alexandra Olaya-Castro dell’Università College di Londra, che ha collaborato con Scholes per comprendere i meccanismi che sono alla base e come applicarli altrove. Il parere della dottoressa è che la struttura proteica dell’antenna giochi un ruolo fondamentale: “La coerenza non sopravviverebbe senza di essa”, dice.

La speranza è che la coerenza quantistica possa essere utilizzata per costruire celle fotovoltaiche più efficienti. “Questo lavoro andrà a cambiare il nostro modo di pensare rispetto alla fotosintesi e all’informatica quantistica.”, dice Engel, “E’ un risultato enorme.”

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