[論文レビュー] A Quantum trajectory picture of single photon absorption and energy transport in photosystem II

Robert L. Cook, Liwen Ko+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2021

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、量子軌道理論を用いて、光システムII（PSII）における単一光子吸収およびエネルギー移動をモデル化し、透過光子のnull検出が、ほぼ100％の確率で系の励起を確認することを示している。単一光子入射は、コherent状態励起とは対照的に、励起状態への顕著な人口移行を引き起こす。一方、フォノン的散乱は蛍光率を調整し、励起子のコherー二ティを示す新たな光子数計測の証拠を可能にするとともに、92%の量子効率を予測している。

ABSTRACT

In this work we study the first step in photosynthesis for the limiting case of a single photon interacting with photosystem II (PSII). We model our system using quantum trajectory theory, which allows us to consider not only the average evolution, but also the conditional evolution of the system given individual realizations of idealized measurements of photons that have been absorbed and subsequently emitted as fluorescence. The quantum nature of the single photon input requires a fully quantum model of both the input and output light fields. We show that PSII coupled to the field via three collective ``bright states'', whose orientation and distribution correlate strongly with its natural geometry. Measurements of the transmitted beam strongly affects the system state, since a (null) detection of the outgoing photon confirms that the system must be in the electronic (excited) ground state. Using numerical and analytical calculations we show that observing the null result transforms a state with a low excited state population $O( 10^{-5} )$ to a state with nearly all population contained in the excited states. This is solely a property of the single photon input, as we confirm by comparing this behavior with that for excitation by a coherent state possessing an average of one photon, using a smaller five site ``pentamer'' system. We also examine the effect of a dissipative phononic environment on the conditional excited state dynamics. We show that the environment has a strong effect on the observed rates of fluorescence, which could act as a new photon-counting witness of excitonic coherence. The long time evolution of the phononic model predicts an experimentally consistent quantum efficiency of 92%.

研究の動機と目的

• 単一光子吸収の微視的ダイナミクスを理解すること。これは、光合成の主要な段階であり、超高効率な量子効率を示す。
• 理想化された単一光子入射と現実的な弱コherent状態励起との間の、励起子人口移動のモデル化における乖離を解消すること。
• 測定の反作用、特に透過光子のnull検出がPSIIの条件付き状態に与える影響を調査すること。
• 散乱的フォノン環境が蛍光ダイナミクスをどのように形作り、励起子のコherー二ティの新たな証拠を可能にするかを検討すること。
• 完全な量子光-物質相互作用モデルを用いて、現実的な環境条件下でのPSIIの長期的量子効率を予測すること。

提案手法

• 量子軌道理論を用いて、光子吸収および放出の個々の測定結果に基づくPSIIの条件付き進化をモデル化する。
• 系は、自然な幾何構造と整合するように配置された3つの集団的「明るい状態」でモデル化され、効率的な光-物質結合を可能にする。
• 入射および出射光の両方に対して完全な量子場記述を用い、偏光および空間モードを含む。損失チャネルは、リンドブラッド演算子に制約を課すことにより扱う。
• 入射光および検出光のビーム間の角度と偏光状態が異なる3モードの光子環境を用い、方向性および偏光依存性の結合を記述する一般化された結合行列Mを導入する。
• 結合行列Mの固有値および固有ベクトルの解析的・数値的解を導出する。これにより、観測されたおよび観測されないモードへの結合強度が決定される。
• フォノン的散乱はリンドブラッドマスタ一方程式を用いて組み込み、蛍光率および長時間ダイナミクスにおける非マーカフ的効果をシミュレート可能とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 透過ビームのnull検出（吸収を示唆）によって、PSIIの条件付き状態はどのように進化するか？
• RQ2 同じ平均光子数を持つ場合、単一光子入射とコherent状態励起との間で、励起状態人口ダイナミクスにどのような差が生じるか？
• RQ3 入射光および検出光の偏光および方位が、PSIIにおける結合効率および人口移行にどのように影響するか？
• RQ4 散乱的フォノン環境によって誘発される蛍光率の変調は、励起子のコherー二ティの証拠として機能できるか？
• RQ5 完全な量子モデルを用いた場合、現実的な環境結合下でのPSIIの長期的量子効率はどの程度か？

主な発見

• 透過光子のnull検出（吸収を示唆）は、初期の励起状態人口がO(10⁻⁵)の系を、ほぼすべての人口が励起状態にある状態に変換し、強い測定の反作用を示している。
• この顕著な人口移行は、単一光子入射に特有であり、同じ平均光子数のコherent状態励起では発生しない。これは、測定誘発状態収縮における根本的な差を示している。
• PSIIの光子場への結合は、自然な構造と幾何的に相関する3つの集団的「明るい状態」によって媒介されている。
• フォノン環境は蛍光率を顕著に変化させ、その率の変調は励起子のコherー二ティを示す新たな光子数計測の証拠として機能する。
• フォノン的散乱下での長時間進化の予測では、量子効率が92%に達し、弱い光条件下での実験的観測と整合的である。
• 結合行列Mは、入射光と検出光のビーム間の角度および偏光に依存し、観測モードおよび非観測モードへの結合強度を決定する。固有値は、q = −1, 0, 1に対してm_q = 1 − η(1 + q cos θ)で与えられる。