La natura potrebbe aver trovato il segreto per massimizzare l'efficienza energetica sfruttando uno dei fenomeni più misteriosi della fisica quantistica: l'entanglement. Un gruppo di ricercatori della Rice University ha dimostrato che quando l'energia si trova inizialmente in uno stato quantistico delocalizzato, distribuito su più siti molecolari anziché concentrato in un singolo punto, il trasferimento verso altre parti del sistema avviene con una velocità superiore. Questa scoperta, pubblicata su PRX Quantum, potrebbe rivoluzionare lo sviluppo di materiali artificiali per la raccolta della luce, aprendo nuove strade per sistemi più efficienti nella conversione energetica.
Il mistero dell'efficienza naturale sotto la lente quantistica
Processi biologici fondamentali come la fotosintesi dipendono dalla capacità di trasferire energia in modo rapido ed efficiente dopo l'assorbimento della luce. Quello che gli scienziati stanno scoprendo è che gli effetti quantistici come l'entanglement potrebbero giocare un ruolo cruciale anche a temperatura ambiente, sfidando l'idea tradizionale che questi fenomeni siano rilevanti solo in condizioni estreme di laboratorio.
"Delocalizzare l'eccitazione iniziale su più siti accelera il trasferimento in modi che partire da un singolo sito non si può raggiungere", spiega Guido Pagano, professore di fisica e astronomia e autore principale dello studio. La ricerca suggerisce che la natura potrebbe utilizzare strategie quantistiche sofisticate per ottimizzare processi che consideriamo puramente classici.
Un modello semplice per comprendere la complessità molecolare
Per testare questa ipotesi, il team ha sviluppato un modello molecolare semplificato composto da due regioni distinte: una zona "donatrice" dove l'energia viene inizialmente assorbita, e una zona "accettrice" dove l'energia deve arrivare. Il sistema permette salti energetici tra i vari siti, con probabilità che diminuiscono all'aumentare della distanza, ma senza escludere completamente i trasferimenti a lungo raggio.
L'elemento innovativo della ricerca consiste nel confronto sistematico tra due scenari: energia che inizia concentrata in un singolo sito donatore contro l'energia distribuita in una sovrapposizione quantistica entangled su più siti simultaneamente. Il modello tiene conto anche delle interazioni con l'ambiente circostante, che possono influenzare le vibrazioni molecolari e modificare il processo di trasferimento.
Risultati che sfidano le aspettative classiche
I risultati delle simulazioni hanno rivelato un vantaggio sistematico e significativo per gli stati iniziali entangled. Quando l'energia parte da una configurazione delocalizzata, il trasferimento verso la regione accettrice avviene più rapidamente rispetto agli scenari tradizionali, indipendentemente da diversi parametri del sistema come l'intensità dell'accoppiamento ambientale, la portata delle interazioni tra siti e il livello di disordine presente nel sistema.
"Partire da uno stato quantistico delocalizzato fornisce al sistema più percorsi disponibili", commenta Pagano. "Le nostre simulazioni indicano che questa coerenza aggiuntiva consente un trasferimento più veloce verso l'accettore, anche in presenza di rumore ambientale."
Dalle simulazioni alle applicazioni pratiche
Diego Fallas Padilla, primo autore dello studio e laureato della Rice University, sottolinea l'ambizione più ampia della ricerca: "Il nostro obiettivo è collegare il mondo astratto dell'informazione quantistica con i meccanismi tangibili osservati in biologia." Nonostante la semplicità intenzionale del modello utilizzato, i ricercatori sono convinti che le implicazioni si estendano a sistemi molecolari più complessi.
Il team propone di condurre test sperimentali utilizzando piattaforme quantistiche controllabili, come i sistemi di ioni intrappolati, per simulare la fisica del trasferimento energetico molecolare. Questo approccio potrebbe fornire una validazione empirica dei risultati teorici e aprire la strada allo sviluppo di materiali fotosintetici artificiali più efficienti.