量子物理学中原子能输运的解码机制

　　实验中使用的铷原子的超冷原子云：你可以看到激光冷却过程中产生的荧光。来源：AG Ott/TUK
　　原子和分子之间的能量传递是所有生命的基础。这种输运是基于原子间的作用力，即偶极-偶极相互作用。Herwig-Ott博士在德国理工大学（TUK）的研究小组现在已经成功地在无序系统中复制了这样一种传输机制。为此，研究人员通过实验观察了不同里德堡原子之间的量子力学相互作用。这使他们能够理解无序对原子间激发能分布和迁移的影响。科学杂志 自然通讯 已经公布了结果。
　　这个运输属于能量原子和分子之间的关系可以用光合作用来说明，例如：当光到达细胞时，它的能量首先被一个分子吸收，然后在许多其他无序分子之间传输。一旦这个能量包最终到达所谓的反应中心，它就会以化学转化的形式永久储存起来。
　　为了更好地理解这种传输机制，研究小组选择了一种特殊的实验方法，并进入了量子体制＂在这个过程中，我们克服了一些技术挑战，＂该研究的主要作者卡斯滕·利普解释道。＂只要看看必要的框架条件，这一点就变得清楚了：在环境压力在0到1000倍的绝对温度下，被激光激发到比绝对温度低1000倍的空间中。当一个电子处于这种状态时，被放置在一个围绕原子核，原子比正常状态下大约10000倍。＂
　　这种巨大的尺寸使得处于里德堡状态的原子对其他类似的原子非常敏感，因此可以对原子之间的相互作用进行实验研究，否则这些相互作用将在更小的尺度上进行。
　　作为实验的一部分，研究人员现在使用不同的激光系统依次制造出两种不同类型的里德堡原子，并研究它们之间的能量传输。在这个过程中，他们发现了与我们日常想象相矛盾的量子物理效应。你可以把这样一个传递过程传统地看作是一个跳跃或环抱的过程。能量或激发在分子之间来回跳跃量子物理学它之所以不同，是因为所谓的叠加原理：例如，激发也可以同时跳到几个分子上，从而在系统中更有效地传输。这就是所谓的连贯传输，＂奥特说。
　　研究人员能够证明经典跳跃和相干传输的比例可以在实验中以可控的方式进行调整。这是通过对所使用的激发激光器的波长进行微小的修改来实现的。＂量子物理效应＂通常是脆弱的，一旦出现干扰就会消失，比如目前系统中气体中的原子紊乱，＂与Ott一起领导该项目的Thomas Niederprüm说研究中对这些效应的观察有助于我们更好地理解其他复杂系统。里德堡的相互作用原子可以转移到当前研究的其他领域，例如对光的吸收和传输分子在光合作用过程中。最近的研究表明，量子力学效应在光合作用中也起着重要作用能量传输发生意外损失，尽管混乱。
　　这项研究的工作是作为合作研究中心OSCAR（＂原子和光子物质的开放系统控制＂）的一部分进行的，在该中心，TUK和波恩大学都得到了德国研究基金会的资助。测量和模拟的结果以及实验装置的描述已发表在 自然通讯 .