März 29, 2024

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Wissenschaftler finden Zusammenhang zwischen Photosynthese und dem „fünften Aggregatzustand“

Louise Lerner schreibt via Phys.Org: Im Labor staunen Wissenschaftler über einen seltsamen Zustand, der entsteht, wenn sie Atome auf nahezu den absoluten Nullpunkt abkühlen. Vor dem Fenster sammeln Bäume Sonnenlicht und verwandeln es in frische Blätter. Die beiden scheinen nicht miteinander verwandt zu sein – aber eine neue Studie der University of Chicago tut es weist darauf hin, dass diese Prozesse nicht ganz so unterschiedlich sind, wie sie an der Oberfläche erscheinen mögen. die Studium, Gepostet in PRX Energy am 28. April, fanden Verbindungen auf atomarer Ebene zwischen Photosynthese und Exzitonenkondensaten – ein seltsamer Zustand der Physik, der es Energie ermöglicht, reibungslos durch Materie zu fließen. Die Autoren sagten, die Ergebnisse seien wissenschaftlich interessant und könnten neue Denkansätze für das Elektronikdesign vorschlagen.

Wenn ein Photon von der Sonne auf ein Blatt trifft, bewirkt es eine Veränderung in einem speziell entworfenen Molekül. Energie schlägt ein Elektron heraus. Das Elektron und das „Loch“, das es einst war, kann sich nun um das Blatt herum bewegen und die Sonnenenergie in einen anderen Bereich tragen, wo sie eine chemische Reaktion auslöst, um Zucker für die Pflanze herzustellen. Zusammen wird dieses wandernde Elektron-Loch-Paar als „Exziton“ bezeichnet. Als das Team aus der Vogelperspektive betrachtete und modellierte, wie sich die mehreren Exzitonen bewegen, bemerkten sie etwas Seltsames. Sie sahen Muster in den Pfaden der Exzitonen, die ihnen bemerkenswert bekannt vorkamen. Tatsächlich sah es dem Verhalten in einer Substanz sehr ähnlich, die als Bose-Einstein-Kondensat bekannt ist und manchmal als „fünfter Aggregatzustand“ bezeichnet wird. In diesem Material können sich Exzitonen auf denselben Quantenzustand beziehen – wie ein Haufen Glocken, die alle perfekt im Einklang läuten. Dadurch kann sich Energie ohne Reibung um Materie bewegen. (Solche seltsamen Verhaltensweisen faszinieren Wissenschaftler, weil sie die Saat faszinierender Technologie sein könnten – zum Beispiel ist ein ähnlicher Zustand namens Supraleitung die Grundlage für MRT-Geräte.)

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nach Modellen […], können sich die Exzitonen in der Schicht manchmal ähnlich wie das Verhalten eines Exzitonenkondensators verhalten. Das war eine große Überraschung. Exciton-Kondensate werden nur gesehen, wenn das Material deutlich unter Raumtemperatur abgekühlt wird. Es wäre, als würde man sehen, wie sich Eiswürfel in einer Tasse heißen Kaffees bilden. „Die Photonik wird in einem System geerntet, das Raumtemperatur hat, und darüber hinaus ist seine Struktur unstrukturiert – im Gegensatz zu den ursprünglichen kristallinen Materialien und kalten Temperaturen, die Sie zur Herstellung von Exzitonenkondensatoren verwenden“, erklärte er. [study co-author Anna Schouten]. Die Wissenschaftler sagten, dass dieser Effekt nicht universell ist – er ähnelt eher der Bildung von „Inseln“ aus Kondensat. „Aber das reicht immer noch aus, um die Energieübertragung im System zu verbessern“, sagte Sager-Smith. Tatsächlich deuten ihre Modelle darauf hin, dass es die Effizienz verdoppeln kann. Der Co-Autor der Studie, Professor David Mazziotti, sagte, die Ergebnisse eröffnen einige neue Möglichkeiten zur Erzeugung synthetischer Materialien für zukünftige Technologien. „Die ideale Exzitonenkondensation ist heikel und erfordert viele spezielle Bedingungen, aber für reale Anwendungen ist es aufregend, etwas zu sehen, das die Effizienz verbessert, aber unter Umgebungsbedingungen passieren kann.“