什么是激子凝聚

激子是由電子和空穴（電子空缺）配對而形成的準粒子，它們可以在固體材料中傳遞能量。激子是玻色子，也就是說，它們遵循玻色-愛因斯坦統計，可以占據同一個量子態。當溫度足夠低或者激子密度足夠高時，許多激子可以凝聚到一個相干的量子態中，形成激子凝聚體。

這種現象類似于玻色-愛因斯坦凝聚，也就是我們熟知的超流和超導現象的原理。 激子凝聚體具有非常特殊的性質，其中之一就是能夠實現無摩擦的能量傳輸，也就是說，激子可以在材料中自由地流動，而不受任何阻礙或損耗。這對于尋找高效的能源轉換和利用系統具有重要的意義，但是實現激子凝聚并不容易，因為激子通常壽命很短，很容易通過復合而衰變。目前已知能夠產生激子凝聚體的材料有限，而且通常需要在極端的條件下（如低溫、高磁場、高純度等）才能觀察到。

光合作用中的能量傳輸

與此相反，自然界中存在著一種在常溫下實現高效能量傳輸的機制，那就是光合作用。光合作用是生物體將光能轉化為化學能的過程，其中一個關鍵步驟是光捕獲復合物對光子的吸收和轉移。光捕獲復合物由一系列色素分子組成，每個色素分子可以吸收特定波長的光，并將其轉化為電子激發態。這些電子激發態可以在色素分子之間進行躍遷，形成色素分子間的激子。最終，這些激子會被反應中心捕獲，并觸發一系列化學反應，將光能轉化為化學能。

光合作用中的能量傳輸非常高效，在某些情況下甚至可以達到近乎100%的效率。這種高效的能量傳輸是如何實現的呢？科學家們已經發現，光合作用中的能量傳輸并不是簡單的經典躍遷，而是涉及到量子相干效應。也就是說，色素分子間的激子可以處于疊加態，同時存在于多個可能的路徑上。

這樣，激子就可以通過量子隧穿或者量子干涉等方式，更快地找到最優的傳輸路徑，從而提高能量傳輸的效率和速度。這種量子相干效應在常溫下是很難保持的，因為會受到環境的擾動和噪音的影響，但是光合作用中的光捕獲復合物卻能夠利用一些特殊的機制，如色素分子的排列、振動和保護等，來維持一定程度的量子相干。

激子凝聚類似的能量傳輸放大

那么，光合作用中的能量傳輸和激子凝聚有什么關系呢？這就是最近發表的一篇論文要探討的問題。作者提出了一個假設：在光合作用中，是否存在一種激子凝聚類似的機制，可以放大能量傳輸中的激子數量，從而增強能量傳輸的效率和速度？

為了驗證這個假設，作者采用了一個光合作用中最簡單也最常用的模型系統，即Fenna-MatthewsOlson（FMO）復合物。FMO復合物是一種存在于綠色硫細菌中的光捕獲復合物，由七個色素分子組成，每個色素分子可以用一個量子比特來描述。

作者在這個模型的基礎上，引入了一個新的因素，考慮每個色素分子內部的電子關聯。也就是說，每個色素分子不再是一個簡單的量子比特，而是由多個量子比特組成的一個多體系統。這樣，每個色素分子就可以有多種激發態，而不僅僅是基態和單激發態。

作者通過數值模擬，研究了這種電子關聯對能量傳輸的影響。 作者發現，在考慮電子關聯的情況下，能量傳輸中出現了一種激子凝聚類似的放大效應，也就是說，在某些條件下，激子的數量會超過初始激發的光子的數量，從而增加了能量傳輸的強度。

這種放大效應是通過粒子-空穴約化密度矩陣（RDM）來觀察的。RDM是一種描述多體系統中部分粒子之間關聯的數學工具，可以用來計算系統的一些物理量，如能量、熵等。 粒子-空穴RDM是一種特殊的RDM，它描述了系統中存在的粒子和空穴之間的關聯，也就是激子的關聯。

作者發現，在考慮電子關聯的情況下，粒子-空穴RDM中出現了一些非零對角元素，這意味著系統中存在著多個激子，并且它們處于相同的量子態，類似于激發子凝聚體。 作者進一步分析了這種激子凝聚類似的放大效應的特點和影響因素。

他們發現，這種放大效應是隨著能量傳輸的動力學而演化的，并且受到色素分子間和色素分子內部的糾纏的影響。作者發現，在考慮電子關聯的情況下，色素分子間和色素分子內部都會產生一定程度的糾纏，并且這些糾纏會影響激子凝聚類似的放大效應的大小和性質。

此外，作者還發現，初始激發模型（即選擇哪些色素分子作為初始激發源）和每個色素分子包含的量子比特數量也會影響放大效應。 最后，作者還探討了如何調節色素分子內部的耦合強度來優化能量傳輸的速率。他們發現，在考慮電子關聯的情況下，通過改變色素分子內部不同量子比特之間的耦合強度，可以顯著地提高能量傳輸到反映中心的速率，并且存在一個最佳耦合強度，可以使能量傳輸速率達到最大值。

在這個最佳耦合強度下，能量傳輸速率可以比不考慮電子關聯的情況下提高近100%。

審核編輯：劉清