La condensation de Bose-Einstein des excitons – dans laquelle les excitons se condensent en un seul état quantique cohérent, connu sous le nom de condensat d’excitons – permet un transfert d’énergie sans frottement, mais se produit généralement dans des conditions extrêmes dans des matériaux hautement ordonnés, tels que les doubles couches de graphène. En revanche, les complexes photosynthétiques de collecte de lumière démontrent un transfert d’énergie extrêmement efficace dans des systèmes désordonnés dans des conditions ambiantes. Maintenant, les physiciens ont établi un lien entre les deux phénomènes en étudiant le potentiel d’amplification de type exciton-condensat du transport d’énergie dans la collecte de lumière à température ambiante.
Schouten et al. trouver des liens au niveau atomique entre la photosynthèse et les condensats d’excitons, un état physique étrange qui permet à l’énergie de circuler sans friction à travers un matériau. Crédit image : Evgeni Tcherkasski.
“Pour autant que nous sachions, ces domaines n’ont jamais été connectés auparavant, nous avons donc trouvé cela très convaincant et passionnant”, ont déclaré le professeur David Mazziotti et ses collègues de l’Université de Chicago.
L’équipe se spécialise dans la modélisation des interactions complexes des atomes et des molécules car elles présentent des propriétés intéressantes.
Il n’y a aucun moyen de voir ces interactions à l’œil nu, donc la modélisation informatique peut donner aux scientifiques une fenêtre sur la raison pour laquelle le comportement se produit – et peut également fournir une base pour la conception de technologies futures.
En particulier, les chercheurs ont modélisé ce qui se passe au niveau moléculaire lors de la photosynthèse.
Lorsqu’un photon du Soleil frappe une feuille, il déclenche un changement dans une molécule spécialement conçue. L’énergie fait tomber un électron.
L’électron, et le «trou» où il se trouvait autrefois, peuvent maintenant voyager autour de la feuille, transportant l’énergie du soleil vers une autre zone où il déclenche une réaction chimique pour fabriquer des sucres pour la plante.
Ensemble, cette paire d’électrons et de trous en déplacement est appelée exciton.
Lorsque l’équipe a pris une vue à vol d’oiseau et modélisé la façon dont plusieurs excitons se déplacent, ils ont remarqué quelque chose d’étrange. Ils ont vu des modèles dans les trajectoires des excitons qui semblaient remarquablement familiers.
En fait, cela ressemblait beaucoup au comportement d’un matériau connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein, parfois appelé cinquième état de la matière.
Dans ce matériau, les excitons peuvent se connecter dans le même état quantique – un peu comme un ensemble de cloches qui sonnent toutes parfaitement en harmonie. Cela permet à l’énergie de se déplacer autour du matériau sans frottement.
Selon les modèles de l’équipe, les excitons d’une feuille peuvent parfois se relier de manière similaire au comportement du condensat d’excitons.
Ce fut une énorme surprise. Les condensats d’excitons n’ont été observés que lorsque le matériau est refroidi de manière significative en dessous de la température ambiante. Ce serait un peu comme voir des glaçons se former dans une tasse de café chaud.
“La récolte de lumière photosynthétique se déroule dans un système qui est à température ambiante et de plus, sa structure est désordonnée – très différente des matériaux cristallisés immaculés et des températures froides que vous utilisez pour fabriquer des condensats d’excitons”, a déclaré Anna Schouten, chercheuse à l’Université de Chicago.
Cet effet n’est pas total — il s’apparente davantage à la formation d’« îlots » de condensats.
“Mais c’est encore suffisant pour améliorer le transfert d’énergie dans le système”, a déclaré LeeAnn Sager-Smith, chercheuse à l’Université de Chicago.
En fait, les modèles de l’équipe suggèrent qu’il peut jusqu’à doubler l’efficacité.
Cela ouvre de nouvelles possibilités pour générer des matériaux synthétiques pour la technologie future.
“Un condensat d’exciton idéal parfait est sensible et nécessite de nombreuses conditions spéciales, mais pour des applications réalistes, il est passionnant de voir quelque chose qui augmente l’efficacité mais qui peut se produire dans des conditions ambiantes”, a déclaré le professeur Mazziotti.
Cette découverte s’inscrit également dans une approche plus large que son équipe explore depuis une décennie.
Les interactions entre les atomes et les molécules dans des processus comme la photosynthèse sont incroyablement complexes – difficiles à gérer même pour un supercalculateur – de sorte que les scientifiques ont traditionnellement dû simplifier leurs modèles afin de les maîtriser.
“Nous pensons que la corrélation locale des électrons est essentielle pour capturer le fonctionnement réel de la nature”, a déclaré le professeur Mazziotti.
L’étude paraît dans la revue PRX Énergie.
