تجسم سیستم‌هایی که از مکانیک کوانتومی پیروی می‌کنند بسیار دشوار است، اما محققان دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign یک تکنیک تصویرسازی ایجاد کرده‌اند که ویژگی‌های کوانتومی را در یک نمودار خوانا به نام نقشه انسجام (Coherent Maps) نمایش می‌دهد. محققان از این نقشه ها برای مطالعه مکانیسم های کوانتومی زیربنای فتوسنتز، فرآیندی که گیاهان و برخی باکتری ها از نور خورشید برای تبدیل دی اکسید کربن و آب به غذا استفاده می کنند، استفاده کردند.
نانسی مکری، استاد شیمی در دانشگاه I. و سرپرست پروژه، گفت: «باورش سخت بود که نقشه‌های انسجام چقدر ساده هستند. وقتی با پدیده‌های کوانتومی غیر شهودی به‌عنوان بخشی از فرآیندهای پیچیده مانند فتوسنتز سروکار داریم، تفسیر محاسبات نظری می‌تواند بسیار چالش‌برانگیز باشد. اما نقشه‌های انسجام هر آنچه را که باید در یک عکس فوری بدانید به شما می‌گویند.
در مطالعه‌ای که در مجله Physical Chemistry Letters منتشر شد، گروه تحقیقاتی مکری نقشه‌های انسجام را برای تجزیه و تحلیل شبیه‌سازی‌های کامپیوتری قبلی باکتری‌های فتوسنتزکننده به روشی جدید به کار بردند. محققان مجتمع مولکولی را مطالعه کردند که نور خورشید را "برداشت" می کند، آن را جذب می کند و انرژی آن را به محل واکنش شیمیایی که در آن دی اکسید کربن و آب پردازش می شود، منتقل می کند. نقشه های انسجام نه تنها نحوه انتقال انرژی به محل واکنش را به وضوح نشان می دهند، بلکه توضیح کوانتومی واضحی برای این انتقال ارائه می دهند.
مکری توضیح داد که نقشه‌های انسجام، تصاویری از ماتریس چگالی کاهش‌یافته، یک شی ریاضی حاوی تمام اطلاعات مربوط به رفتار کوانتومی یک سیستم هستند. او گفت: "حتی برای سیستم هایی با اندازه متوسط، ماتریس چگالی کاهش یافته بسیار بزرگ می شود و همه اجزای آن به هم مرتبط هستند." "این به سادگی اطلاعات زیادی برای تجزیه و تحلیل است. با این حال، با نقشه های انسجام، اطلاعات زیادی وجود دارد که فقط با یک نگاه از تصاویر بیرون می آید."
به گفته مکری، این اطلاعات به محققان این امکان را داد تا مسیرهای انتقال انرژی در مجتمع جمع آوری نور باکتریایی را "بسیار شفاف" شناسایی کنند. این مجموعه شامل یک حلقه بیرونی و یک حلقه داخلی از مولکول ها است. حلقه بیرونی نور خورشید را جذب می کند و حلقه داخلی حاوی محل واکنش شیمیایی است. گروه مکری نشان داد که این دو حلقه توسط حرکت اتم‌ها در مولکول‌ها به هم متصل می‌شوند و نقشه‌های انسجام به وضوح نشان می‌دهند که این حرکات انرژی را از حلقه بیرونی به حلقه داخلی متمرکز می‌کند.
مکری گفت: با نگاهی به آینده، من معتقدم که نقشه‌های انسجام ابزار ارزشمندی برای تحلیل‌های نظری مبتنی بر مکانیک کوانتومی خواهند بود. فقط در این مطالعه، آنها بینش های مهمی در مورد مکانیسم فتوسنتز، یکی از اسرار بزرگ زیست شناسی ارائه کردند.
لینک مقاله:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.3c00670
