Коротко: классические модели дают хорошее приближение для описания многих явлений в фотосинтезе (поглощение света, макроскопические балансы энергии), но отдельные ключевые этапы — ультрабыстрая передача возбуждения, эффективное разделение заряда и минимизация потерь — требуют квантово-механического подхода. Ниже — сравнение подходов, какие явления лучше описывает каждый, и перечень нерешённых вопросов на стыке физики и биологии, которые могут подсказать новые идеи для повышения КПД искусственных солнечных устройств.

1) Сравнение моделей света и материи

Классическая модель света

Описание: электромагнитная волна (Максвелл), интенсивность, спектр (тепловое, когерентное излучение).Что объясняет в фотосинтезе: суммарное поглощение, рассеяние, оптические свойства хлорофиллов/мембран на макроуровне (спектры поглощения, светосбор).Ограничения: не даёт детального описания кванта энергии, статистики одиночных фотонов и связанных с ними кореляций; не описывает внутренней структуры возбужденных состояний (экситонов).

Полуклассический подход (классическое поле + квантовая материя)

Описание: классическое поле возбуждает квантовую систему (молекулы). Широко используются оптические переходы, коэффициенты поглощения/излучения.Что объясняет: образование возбуждений (экситонов), вероятности переходов, обычную кинетику поглощения/реакций при непрерывном свете.Ограничения: не учитывает квантовую статистику света (корреляции, одиночные фотоны), сложную квантовую динамику открытой системы при сильной связности с окружением.

Полная квантовая модель (квантовое поле + квантовая материя, открытая квантовая система)

Описание: кванты света (фотоны), делокализованные возбуждения (экситоны), взаимодействие с фононным (вибрационным) окружением, когерентность, запутанность, нерегулярные (неклассические) статистики.Что объясняет и почему важно для фотосинтеза:Делокализация возбуждений (экситонные состояния, суперпозиции) — помогает объяснить высокую скорость и дальность переноса энергии.Когерентные феномены (электронные и вибононические когеренции) — наблюдались в 2D-спектроскопии; могут увеличивать эффективность переноса через суперперенос (supertransfer) или через шум-ускоряемый перенос (ENAQT).Взаимодействие с окружающей фононной средой (виброны) — даёт долгоживущие вибононические когеренции и может защищать от декогеренции.Быстрое квантовое разделение заряда в реакционных центрах — минимизация обратной рекомбинации и тепловых потерь.Ограничения/сложности: тяжёлая моделирование открытой квантовой динамики в реальных биомолекулах; вопрос о релевантности когерентности при естественном (тепловом, "инкоherentном") солнечном освещении.

2) Какие явления в фотосинтезе требуют квантового описания (и почему классика не достаточна)

Ультрабыстрая передача возбуждения на наносекунд/пико- и фемтосекундных масштабах — кванты энергии, делокализованные состояния.Наблюдаемые в экспериментах (2D-электронная спектроскопия) длинно-живущие когерентности — их природа (электронная vs вибононическая) — квантовая."Шум-ускоряемый перенос" (environment-assisted quantum transport, ENAQT): оптимальное сочетание когерентности и декогеренции увеличивает пропускную способность сети — чисто квантовая механика открытых систем.Механизмы сверхбыстрого разделения заряда в реакционных центрах — квантово-механические туннелирование/взаимодействие многоэлектронных состояний.Поляритонные эффекты при сильной свет–материя связи (в плотно упакованных комплексах или при сильной связи со светоносными модами).

3) Где классическая/полуклассическая теория достаточна

Макроскопические балансы энергии и массовые кинетические модели для растений/микроводорослей.Оценки спектров поглощения и светозарядной способности в условиях стационарного, непрерывного освещения с малыми когерентными эффектами.Моделирование оптического дизайна (антиотражающие покрытия, геометрия пигментных пакетов) — классическая электродинамика и оптика.

4) Нерешённые вопросы на стыке физики и биологии, важные для повышения эффективности искусственных солнечных батарей
Перечислю вопросы и то, какие идеи для инженерии они могут дать.

A. Роль и функциональность когерентности при естественном солнечном освещении

Вопрос: насколько долгоживущие квантовые когерентности, наблюдаемые в лабораторных (лазерных) экспериментах, реально работают при непрерывном, термическом солнечном излучении?Почему важно: если биологические системы используют когерентность при естественном свете, это даёт основание проектировать PV-системы, которые сохраняют когеренцию и тем самым повышают перенос возбуждения.Потенциальные направления для PV: разработка материалов и структур, сохраняющих делокализацию экситонов при комнатной температуре; создание "сбалансированных" уровней шума (environment engineering).

B. Управление взаимодействием электронов и вибраций (вибононическая динамика)

Вопрос: как именно белковые матрицы настраивают спектральную плотность фононного окружения, чтобы одновременно поддерживать полезные когерентности и снижать потери?Почему важно: управление вибрационным окружением может позволить исключить быстрое тепловое рассеяние и ускорить направленный перенос энергии.Потенциал для PV: "резонансное" проектирование молекул/полимеров с нужными локальными вибрационными модами; нанофабрикация среды (матрицы, полимеры), создающей полезный спектральный шум.

C. Принцип сверхбыстрого и необратимого разделения заряда (reaction center analogs)

Вопрос: какие электронные структуры и механизмы обеспечивают чрезвычайно быстрый и эффективный перенос электронов от возбуждённого экситона к носителю заряда с минимальной обратной рекомбинацией?Почему важно: в обычных солнечных элементах потери при теплохалатизации и рекомбинации сильно ограничивают КПД.Для PV: создание молекулярных/наноструктурных "реакционных центров", где энергия возбуждения быстро перерабатывается в разделённые носители до их релаксации в тепловое состояние (hot carrier extraction, charge-separating heterojunctions).

D. Использование делокализации и супертрансфера в искусственных ансамблях

Вопрос: какие архитектонические правила (геометрия, расстояния, энергетические ландшафты) максимизируют суперперенос при комнатной температуре?Почему важно: делокализованные состояния могут передавать энергию быстрее и на большие расстояния, чем локализованные экситоны.Для PV: проектирование ансамблей молекул или квантовых точек с контролируемыми кохерентными связями (молекулярные «антенны» и экситонные проводники).

E. Инженерия окружения (reservoir engineering) и ненатуральные режимы освещения

Вопрос: можно ли искусственно создать оптимальные (неестественные) условия освещения/окружения (напр., поляритонные моды, сильная связь со светоносным режимом, использование квантово-коррелированных фотонов) для повышения квантовой эффективности?Почему важно: изменение статистики и мод структуры фотонного поля меняет детальную балансировку переходов и может обойти некоторые детальные балансировки, ограничивающие традиционные пределы (Shockley–Queisser).Для PV: исследование поляритонных солнечных элементов, использование упорядоченных/коррелированных источников света (экспериментально сложно, но интересна теоретическая оценка).

F. Квантовая термодинамика и пределы эффективности

Вопрос: существуют ли реальные схемы, основанные на квантовой когерентности или корреляциях, которые преодолевают классические лимиты эффективности при условиях естественного солнечного освещения и допускаемых технологических компромиссов?Почему важно: понимание фундаментальных ограничений поможет определить, какие направления имеют практический смысл.Для PV: исследование схем, где структурированные уровни и обратимые/нереверсивные каналы дают меньше энергетических потерь (многоступенчатые, многозонные, поляритонные и др.).

5) Конкретные исследовательские направления и идеи для практической реализации

Биомиметические антенны: синтез и самоорганизация пигментных массивов с контролируемой дальностью и силой взаимодействия, чтобы достичь экситонной делокализации и supertransfer на наномасштабе.Вибрационно-конструированные материалы: дизайн молекул/полимеров с заданными локальными вибрационными модами для усиления вибононических резонансов, которые защищают когерентность.Reaction-center mimics: создание гибридных молекулярно-наноструктурных интерфейсов, где заряд разделяется за <100 fs, с минимальной обратной рекомбинацией (использование молекулярной архитектуры и сильной локальной электрической поля).Reservoir/resonator engineering: интеграция плотно-упакованных резонаторов или плазмонных структур для создания режимов сильной свет–материя связи (поляритоны), которые изменяют распределение энергий и могут уменьшить тепловые потери.Hot-carrier and multi-exciton strategies с квантовым контролем: использовать квантово-ограниченные (quantum confined) структуры, где возможен сбор горячих носителей или многоэкситонная генерация с эффективной отделкой зарядов.Эксперименты при реалистичном освещении: 2D-спектроскопия и ультрабыстрая спектроскопия при условиях непрерывного/термического света — чтобы оценить релевантность когерентностей в рабочих ситуациях.Теоретика: методы открытых квантовых систем (non-Markovian master equations, tensor networks, quantum chemistry + dynamics) для многочастичных систем масштаба реальных комплексов; оптимизационные алгоритмы для проектирования сред.

6) Как можно начать прикладную работу уже сейчас

Комбинировать плазмонно-наноструктурированную поверхность с органическими/пигментными слоями для изучения, сохраняются ли преимущества ускоренного переноса в гибридных архитектурах.Тестировать молекулярные димеры/олигомеры с разной степенью связи и разной локальной жесткостью (контролируемые вибрационные спектры) — измерять фотолюминесценцию, квантовый выход разделения заряда, время передаточной динамики.Моделировать и экспериментально проверять “шум-оптимизированные” турбо-архитектуры: намеренно вводить контролируемую диссипацию для увеличения пропускной способности переноса.Оценивать экономику: любая квантовая концепция должна быть оценена по реальным показателям (стоимость, стабильность, массовое производство).

7) Краткий итог и рекомендации

Классическая оптика и полуклассический подход остаются ценными для макро-дизайна и оценки, но ключевые этапы фотосинтеза (быстрый перенос энергии, эффективное разделение заряда) лучше и глубже объясняются средствами квантовой теории открытых систем.Нерешённые вопросы о роле когерентности, вибононических эффектов и об инженерии окружения — это точное место, где фундаментальная физика может родить практически применимые идеи для повышения КПД солнечных устройств.Рекомендуется сочетать: (i) фундаментальные эксперименты при реалистичном освещении, (ii) мультидисциплинарное моделирование (квантовая динамика + химия), (iii) создание прототипов гибридных архитектур (поляритонные/плазмонные/молекулярные), и (iv) оценку экономической жизнеспособности решений.

Если хотите, могу:

Подготовить короткий обзор ключевых статей и экспериментальных результатов по квантовым когеренциям в ФС (с указанием сильных/слабых сторон интерпретаций).Предложить конкретную программу экспериментов или модельный план для проверки одной из перечисленных гипотез (например, reservoir engineering для ENAQT).