Teknik Ultra-cepat Menyingkap Prinsip-prinsip Perancangan dalam Biologi Kuantum

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.

Para peneliti dari University of Chicago berhasil menciptakan senyawa sintetis yang meniru dinamika kuantum yang kompleks seperti yang teramati dalam fotosintesis. Senyawa ini memungkinkan dibangunnya cara fundamental terbaru untuk mengembangkan teknologi pemanenan cahaya matahari. (Kredit: Graham Griffith)

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.”

Para peneliti University of Chicago yang terlibat dalam studi. Dari kiri ke kanan: sarjana pasca-doktoral Graham Griffin, profesor Greg Engel dan mahasiswa pascasarjana Dugan Hayes. (Kredit: Tom Jarvis)

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