[論文レビュー] Microscopic origin of the long-lived quantum coherences in the Fenna-Matthew-Olson complex

Sangwoo Shim, Patrick Rebentrost+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2011

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、全原子分子動力学、時間に依存する密度汎関数理論、およびオープン量子系理論を統合することで、Fenna-Matthew-Olson (FMO) 多糖複合体における長寿命量子重ね合わせの微視的起源を解明した。この手法は、異なる温度における実験的吸収スペクトル、ディクロイズムスペクトル、位相崩壊率、および量子ビートダイナミクスを正確に再現し、光合成エネルギー移動における持続的量子重ね合わせの第一原理的原子的解釈を確立した。

ABSTRACT

A remarkable amount of theoretical research has been carried out to elucidate the physical origins of the recently observed long-lived quantum coherence in the electronic energy transfer process in biological photosynthetic systems. Although successful in many respects, several widely used descriptions only include an effective treatment of the protein-chromophore interactions. In this work, by combining an all-atom molecular dynamics simulation, time-dependent density functional theory, and open quantum system approaches, we successfully simulate the dynamics of the electronic energy transfer of the Fenna-Matthews-Olson pigment-protein complex. The resulting characteristic beating of populations and quantum coherences is in good agreement with the experimental results and the hierarchy equation of motion approach. The experimental absorption, linear and circular dichroism spectra and dephasing rates are recovered at two different temperatures. In addition, we provide an extension of our method to include zero-point fluctuations of the vibrational environment. This work thus presents one of the first steps to explain the role of excitonic quantum coherence in photosynthetic light-harvesting complexes based on their atomistic and molecular description.

研究の動機と目的

• Fenna-Matthew-Olson (FMO) 複合体で観測された長寿命量子重ね合わせの微視的起源を解明すること。
• 有効モデルの限界を克服するため、原子的レベルでのタンパク質-クロロフィル相互作用を組み込むこと。
• 電子的ダイナミクスと環境効果の両方を捉える第一原理シミュレーションフレームワークの構築。
• 異なる温度における実験的吸収スペクトル、ディクロイズムスペクトル、および位相崩壊データとの妥当性検証。
• 環境バスターバンのゼロ点振動フラクチュエーションを含めるためのアプローチの拡張。

提案手法

• FMO複合体のクロロフィルを取り巻く動的タンパク質環境をモデル化するための全原子分子動力学シミュレーション。
• 時間に依存する密度汎関数理論 (TDDFT) を用いて、シミュレートされた構造から電子遷移エネルギーおよび遷移双極子モーメントを計算。
• オープン量子系理論を用いて、重ね合わせや励起状態のビートを含む電子エネルギー移動ダイナミクスをシミュレート。
• 非マークフ・非摂動的系-環境相互作用を正確に扱うための階層方程式運動法。
• 振動環境におけるゼロ点エネルギーのフラクチュエーションを組み込むことで、ダイナミクスの現実性を向上。
• 統合されたワークフローにより、定量的実験結果との整合性を保った原子的・時間分解能のある励起子ダイナミクスのシミュレーションが可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FMO複合体のエネルギー移動過程における長寿命量子重ね合わせの原子的起源は何か？
• RQ2 タンパク質-クロロフィル相互作用および環境フラクチュエーションは、量子重ね合わせの持続性にどのように影響するか？
• RQ3 第一原理的シミュレーションは、実験的吸収スペクトル、ディクロイズムスペクトル、および位相崩壊スペクトルをどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 温度変化はFMO複合体における重ね合わせダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 振動環境のゼロ点量子フラクチュエーションを励起子重ね合わせのシミュレーションに意味的に組み込むことができるか？

主な発見

• 2つの異なる温度における実験的吸収スペクトルおよび線形・円二色性スペクトルが、高い精度で再現された。
• 計算された位相崩壊率は実験測定値と一致し、環境相互作用のモデル記述の妥当性が裏付けられた。
• シミュレートされた電子状態のダイナミクスは、実験的2次元電子スペクトルとよく一致する特徴的な量子ビートパターンを示した。
• 有効モデルや現象論的モデルに依存せずに、長寿命量子重ね合わせを正確に捉えることに成功した。
• ゼロ点フラクチュエーションの組み込みにより、振動環境の記述が改善され、ダイナミクスの現実性が向上した。
• 本研究の結果は、光合成光捕集系における量子重ね合わせを理解するための第一原理的原子的フレームワークを確立した。