激子的玻色-爱因斯坦凝聚——其中激子凝聚成一个单一的相干量子态，称为激子凝聚——可以实现无摩擦能量转移，但通常发生在极端条件下的高度有序材料中，例如石墨烯双层。相比之下，光合光捕获复合物在环境条件下在无序系统中表现出极其有效的能量转移。现在，物理学家通过研究室温光收集中能量传输的类似激子-凝聚物放大的可能性，建立了这两种现象之间的联系。

新研究发现光合作用和激子凝聚之间的联系

“据我们所知，这些区域以前从未连接过，所以我们发现这非常引人注目和令人兴奋，”芝加哥大学的大卫马齐奥蒂教授和他的同事说。

该团队专注于模拟原子和分子在显示有趣特性时的复杂相互作用。

肉眼无法看到这些相互作用，因此计算机建模可以为科学家提供一个了解行为发生原因的窗口——并且还可以为设计未来技术提供基础。

特别是，研究人员一直在模拟光合作用发生时在分子水平上发生的情况。

当来自太阳的光子撞击一片叶子时，它会激发一种特别设计的分子发生变化。能量敲松了一个电子。

电子和它曾经所在的“空穴”现在可以绕着叶子移动，将太阳的能量带到另一个区域，在那里它引发化学反应为植物制造糖分。

那个行进的电子和空穴对一起被称为激子。

当团队鸟瞰并模拟多个激子如何四处移动时，他们注意到了一些奇怪的事情。他们在激子的路径中看到了非常熟悉的模式。

事实上，它看起来非常像一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚体(有时被称为物质第五态)的材料中的行为。

在这种材料中，激子可以连接成相同的量子态——有点像一组钟声完美地响起。这允许能量以零摩擦在材料周围移动。

根据该团队的模型，叶子中的激子有时会以类似于激子凝聚行为的方式连接起来。

这是一个巨大的惊喜。只有当材料冷却到室温以下时才会看到激子凝聚体。这有点像看到冰块在一杯热咖啡中形成。

芝加哥大学研究员 Anna Schouten 说：“光合采光发生在一个处于室温下的系统中，而且它的结构是无序的——这与你用来制造激子凝聚体的原始结晶材料和低温非常不同。”

这种影响并不完全——它更类似于凝结物形成的“岛屿”。

“但这仍然足以增强系统中的能量传输，”芝加哥大学研究员 LeeAnn Sager-Smith 说。

事实上，该团队的模型表明它可以将效率提高一倍。

这为为未来技术生成合成材料开辟了一些新的可能性。

Mazziotti 教授说：“完美的理想激子凝聚体是敏感的，需要很多特殊条件，但对于实际应用来说，看到可以提高效率但可以在环境条件下发生的东西是令人兴奋的。”

这一发现也适用于他的团队探索了十年的更广泛的方法。

光合作用等过程中原子和分子之间的相互作用极其复杂——即使是超级计算机也难以处理——因此科学家们传统上不得不简化他们的模型以处理它们。

“我们认为电子的局部相关性对于捕捉自然界的实际运作方式至关重要，”Mazziotti 教授说。

该研究发表在PRX 能源杂志上。