Las plantas realizan proezas de mecánica cuántica que los científicos solo pueden lograr a temperaturas ultrafrías

Durante la fotosíntesis, las plantas utilizan procesos de mecánica cuántica. En un intento por entender cómo lo hacen, científicos de la Universidad de Chicago recientemente modelaron el funcionamiento de las hojas a nivel molecular. Quedaron asombrados por lo que vieron. Resulta que las plantas actúan como un extraño quinto estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein. Aún más sorprendente es que estos condensados se encuentran típicamente a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Estados de baja energía.

Los tres estados más comunes de la materia son sólido, líquido y gas. Cuando se añade o se quita presión o calor, un material puede cambiar entre estos estados. A menudo escuchamos que el plasma es el cuarto estado de la materia. En un plasma, los átomos se descomponen en una sopa de iones cargados positivamente y electrones cargados negativamente. Esto ocurre típicamente cuando se supercalienta un material. El Sol, por ejemplo, es en su mayoría una gran bola de plasma supercaliente.

Si la materia puede ser supercalentada, también puede ser superenfriada, lo que hace que las partículas caigan en estados de energía muy baja. Comprender lo que sucede a continuación requiere conocimientos de física de partículas.

Existen dos tipos principales de partículas, bosones y fermiones, y lo que los diferencia es una propiedad llamada espín, una extraña característica cuántica que se relaciona con el momento angular de la partícula. Los bosones son partículas con espín entero (0, 1, 2, etc.), mientras que los fermiones tienen un espín semientero (1/2, 3/2, etc.). Esta propiedad se describe mediante el teorema de espín-estadística y significa que si intercambias dos bosones, conservarás la misma función de onda. No puedes hacer lo mismo con los fermiones.

En un condensado de Bose-Einstein, los bosones dentro de un material tienen una energía tan baja que todos ocupan el mismo estado, actuando como una sola partícula. Esto permite que las propiedades cuánticas se observen a escala macroscópica. Un condensado de Bose-Einstein fue creado en un laboratorio por primera vez en 1995, a una temperatura de solo 170 nanokelvin.

Fotosíntesis cuántica.

Ahora, veamos qué sucede en una hoja típica durante la fotosíntesis.

Las plantas necesitan tres ingredientes básicos para producir su propio alimento: dióxido de carbono, agua y luz. Un pigmento llamado clorofila absorbe energía de la luz en longitudes de onda roja y azul. Refleja la luz en otras longitudes de onda, lo que hace que la planta se vea verde.

A nivel molecular, las cosas se vuelven aún más interesantes. La luz absorbida excita un electrón dentro de un cromóforo, la parte de una molécula que determina su reflexión o absorción de luz. Esto desencadena una serie de reacciones en cadena que terminan produciendo azúcares para la planta. Utilizando modelos informáticos, los investigadores de la Universidad de Chicago examinaron lo que ocurre en bacterias verdes del azufre, un microorganismo fotosintético.

La luz excita un electrón. Ahora, el electrón y el espacio vacío que dejó atrás, llamado hueco, actúan juntos como un bosón. Este par electrón-hueco se llama excitón. El excitón viaja para entregar energía a otra ubicación, donde se crean los azúcares para el organismo.

Los cromóforos … pueden transferir energía entre ellos en forma de excitones hacia un centro de reacción donde se puede utilizar la energía, algo así como un grupo de personas pasándose una pelota hacia una meta.

Anna Schouten, autora principal del estudio

Los científicos descubrieron que los caminos de los excitones dentro de áreas localizadas se parecían a los vistos en un condensado de excitones, un condensado de Bose-Einstein hecho de excitones. El desafío con los condensados de excitones es que los electrones e iones tienden a recombinarse rápidamente. Una vez que esto sucede, el excitón desaparece, a menudo antes de que se forme un condensado.

Estos condensados son notablemente difíciles de crear en el laboratorio, sin embargo, ahí estaban, frente a los ojos de los científicos, en un organismo desordenado a temperatura ambiente. Al formar un condensado, los excitones formaron un solo estado cuántico. En esencia, estaban actuando como una sola partícula. Esto forma un superfluido, un fluido con viscosidad y fricción cero, que permite que la energía fluya libremente entre los cromóforos.

Sus resultados fueron publicados en PRX Energy.

Condiciones desordenadas.

Los excitones normalmente se desintegran rápidamente y, cuando lo hacen, ya no pueden transferir energía. Para prolongar su tiempo de vida, generalmente necesitan estar muy fríos. De hecho, nunca se ha visto un condensado de excitones a temperaturas superiores a 100 Kelvin, que es un gélido -173 grados Celsius. Por eso es tan sorprendente ver este comportamiento en un sistema desordenado del mundo real a temperaturas normales.

Entonces, ¿qué está sucediendo aquí? Simplemente otra forma en la que la naturaleza nos sorprende constantemente.

La fotosíntesis funciona a temperaturas normales porque la naturaleza tiene que funcionar a temperaturas normales para sobrevivir, por lo que el proceso evolucionó para hacer eso.

Anna Schouten

En el futuro, los condensados de Bose-Einstein a temperatura ambiente pueden tener aplicaciones prácticas. Dado que actúan como un solo átomo, los condensados de Bose-Einstein pueden brindarnos información sobre propiedades cuánticas que serían difíciles de observar a nivel atómico. También tienen aplicaciones para giroscopios, láseres de átomos, sensores de alta precisión de tiempo, gravedad o magnetismo, y niveles más altos de eficiencia y transferencia de energía.

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