Molekul-molekul yang dihasilkan mampu menciptakan sifat-sifat penting
dari molekul klorofil di dalam sistem fotosintesis, yang menyebabkan
koherensi mampu bertahan selama puluhan femtosekon dalam suhu ruangan.
Para peneliti dari University of Chicago telah berhasil menciptakan
suatu senyawa sintetis yang meniru dinamika kuantum yang kompleks
seperti yang bisa diamati dalam fotosintesis. Terobosan ini memungkinkan
dibangunnya cara fundamental terbaru untuk menciptakan teknologi energi
surya. Merekayasa efek kuantum untuk dijadikan sebagai perangkat
pemanen-cahaya sintetik tidak saja bisa terwujud, namun, prosesnya pun
ternyata lebih mudah dari yang diduga, lapor para peneliti dalam edisi
19 April jurnal Science.
Para peneliti merekayasa molekul kecil yang mendukung koherensi kuantum
agar tahan lama. Koherensi adalah perilaku superposisi kuantum yang
secara makroskopik bisa diamati. Superposisi adalah konsep kuantum
mekanik yang fundamental, dicontohkan dengan eksperimen klasik yang
dikenal sebagai Cat Schrodinger, di mana partikel kuantum tunggal
seperti elektron menempati lebih dari satu keadaan secara bersamaan.
Efek kuantum umumnya diabaikan dalam ketidakteraturan sistem yang besar
dan panas. Namun demikian, eksperimen ultra-cepat spektroskopi yang
baru-baru ini dikerjakan oleh Prof. Greg Engel dalam laboratorium kimia
University of Chicago telah sukses menunjukkan bahwa superposisi kuantum
mungkin berperan menghasilkan efisiensi kuantum yang nyaris sempurna
dalam pemanenan cahaya fotosintesik, sekalipun dalam suhu fisiologis.
Antena fotosintetik – protein yang mengatur klorofil dan molekul-molekul
cahaya-serapan lainnya pada tanaman dan bakteri – mendukung superposisi
untuk bertahan lama dalam tingkat anomali. Banyak peneliti yang
mengusulkan bahwa organisme telah berevolusi dan mengembangkan sarana
untuk melindungi superposisi tersebut. Hasilnya: terjadi peningkatan
efisiensi dalam proses mentransfer energi dari sinar matahari yang
terserap ke bagian-bagian sel yang mengubah energi matahari menjadi
energi kimia. Hasil-hasil studi yang baru-baru ini dilaporkan ini telah
menunjukkan bahwa manifestasi tertentu pada mekanika kuantum dapat
direkayasa menjadi senyawa hasil buatan-manusia.
Para peneliti memodifikasi fluoresein – molekul serupa yang pernah
digunakan untuk mewarnai Sungai Chicago menjadi hijau dalam rangka Hari
St. Patrick – lalu menghubungkan pasangan-pasangan pewarna yang berbeda
menjadi satu dengan menggunakan struktur penjembatan yang ketat.
Molekul-molekul yang dihasilkan mampu menciptakan sifat-sifat penting
dari molekul klorofil di dalam sistem fotosintesis, yang menyebabkan
koherensi mampu bertahan selama puluhan femtosekon dalam suhu ruangan.
“Mungkin kedengarannya bukan waktu yang sangat lama – femtosekon setara
dengan sepersejuta miliar detik,” kata rekan penulis studi Dugan Hayes,
lulusan University of Chicago dalam bidang kimia, “Tapi pergerakan
eksitasi melalui sistem juga terjadi pada skala waktu yang ultra-cepat
ini, mengindikasikan bahwa superposisi kuantum dapat berperan penting
dalam proses transfer energi.”
Untuk mendeteksi bukti superposisi yang tahan lama, para peneliti
memfilmkan aliran energi dalam molekul dengan menggunakan rekayasa
laboratorium dan sistem laser tingkat tinggi dalam skala femtosekon.
Tiga pulsa laser yang terkontrol secara tepat diarahkan ke dalam sampel,
menghasilkan pancaran sinyal optik yang ditangkap dan diarahkan ke
dalam kamera.
Dengan memindai jeda waktu di antara kedatangan pulsa-pulsa laser
tersebut, para peneliti memfilmkan aliran energi di dalam sistem,
menandainya sebagai rangkaian spektrum dua dimensi. Masing-masing
spektrum dua-dimensi termuat dalam satu frame film, berisi informasi
tentang keberadaan energi di dalam sistem sekaligus memberitahu
jalur-jalur apa saja yang dilaluinya untuk mencapai ke sana.
Film ini mempertunjukkan relaksasi dari keadaan energi tingkat tinggi
menuju ke keadaan energi tingkat yang lebih rendah dalam serangkaian
waktu, serta memperlihatkan osilasi sinyal di area-area sinyal yang
sangat spesifik, atau ketukan-ketukan kuantum. “Ketukan kuantum
merupakan ciri dari koherensi kuantum, timbul dari interferensi antara
keadaan-keadaan energik yang berbeda dalam superposisi, mirip dengan
suara ketukan ketika dua instrumen musik yang tidak selaras mencoba
memainkan nada yang sama,” ungkap Hayes.
Simulasi komputer menunjukkan bahwa koherensi kuantum bekerja dalam
antena fotosintesis untuk menjaga eksitasi untuk tetap tidak terjebak
dalam perjalanannya menuju pusat reaksi, yaitu tempat dimulainya
konversi ke energi kimia. Dalam satu interpretasi, sebagaimana eksitasi
berpindah melalui antena, keberlangsungannya tetap berada dalam
superposisi dari semua jalur sekaligus, memaksa eksitasi berlanjut ke
jalur yang semestinya. “Sebelum koherensi-koherensi ini berhasil
teramati dalam sistem sintetis, ada keraguan bahwa fenomena yang
kompleks mampu diciptakan di luar alam,” ujar Hayes.
Kredit: University of Chicago
Jurnal: D. Hayes, G. B. Griffin, G. S. Engel. Engineering Coherence Among Excited States in Synthetic Heterodimer Systems. Science, 2013; DOI: 10.1126/science.1233828
Jurnal: D. Hayes, G. B. Griffin, G. S. Engel. Engineering Coherence Among Excited States in Synthetic Heterodimer Systems. Science, 2013; DOI: 10.1126/science.1233828