[論文レビュー] Non-Markovian stochastic description of quantum transport in photosynthetic systems

Inés de Vega|arXiv (Cornell University)|May 4, 2010

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 44被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ピンク色の細菌のLH1-RC複合体における量子エネルギー移動をモデル化するため、非マルコフ型確率的シュレーディンガー方程式の枠組みを構築した。環境との結合とエネルギー不規則性が、非ゼロの運動量成分が寄与できるようにし、対称性に起因する局在化を克服することで、エネルギー移動効率を向上させることを示した。この手法により、非マルコフ型バースの相関が、マルコフ型近似をはるかに上回るエネルギー移動を実現することが明らかになった。

ABSTRACT

We analyze several aspects of the transport dynamics in the LH1-RC core of purple bacteria, which consists basically in a ring of antenna molecules that transport the energy into a target molecule, the reaction center, placed in the center of the ring. We show that the periodicity of the system plays an important role to explain the relevance of the initial state in the transport efficiency. This picture is modified, and the transport enhanced for any initial state, when considering that molecules have different energies, and when including their interaction with the environment. We study this last situation by using stochastic Schr{ö}dinger equations, both for Markovian and non-Markovian type of interactions.

研究の動機と目的

• 系の対称性および初期状態の構造が、LH1-RC複合体におけるエネルギー移動効率に与える影響を理解すること。
• 環境との結合、特に非マルコフ型位相崩壊が、孤立系でエネルギーを閉じ込めてしまう不変部分空間を破る役割を果たすメカニズムを調査すること。
• 現実の光合成移動ダイナミクスをモデル化する際、マルコフ型と非マルコフ型の確率的シュレーディンガー方程式を比較すること。
• 構造的バース相関を持つ量子移動の文脈において、ポスト・マルコフ近似の有効性の条件を特定すること。

提案手法

• 本研究では、開系量子系のダイナミクスを記述するために、確率的シュレーディンガー方程式（SSEs）を用い、マルコフ型および非マルコフ型のノイズモデルを併用した。
• 系は、対称的なアンテナ分子のリングと中心の反応中心が結合した構造としてモデル化され、周期性を活かすために運動量空間で解析された。
• 系-バース相互作用に対してポスト・マルコフ近似を適用し、バース相関関数から導かれる時刻非局所的記憶核を通じて非マルコフ型効果を導入した。
• 時間発展演算子の級数展開に対する収束条件を用いて、ポスト・マルコフ近似の有効性を評価した。
• 均一および非均一な分子エネルギー準位を含み、複数の反応中心への非均一な結合も考慮した。
• 時間発展演算子の2次項について、環境ノイズおよびエネルギーずれを組み込んだ数値的および解析的解が導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対称的なLH1-RC複合体において、初期状態の運動量構造はエネルギー移動効率にどのように影響するか？
• RQ2 非マルコフ型環境結合が、初期状態の非対称（非ゼロ運動量）成分からの移動を可能にする役割は何か？
• RQ3 非マルコフ型バース効果をモデル化する際、ポスト・マルコフ近似が有効である条件は何か？
• RQ4 アンテナ分子におけるエネルギー不規則性は、均一な場合と比較して移動ダイナミクスにどのような影響を及けるか？
• RQ5 非マルコフ型効果は、マルコフ型または弱結合近似をはるかに上回る移動効率をどの程度向上させるか？

主な発見

• 孤立した均一系では、対称性に起因する不変部分空間のため、初期状態のゼロ運動量成分のみがエネルギー移動に寄与する。
• エネルギー不規則性または環境との結合が導入されると、非ゼロ運動量成分が活性化され、対称性に起因する局在化を破ることで、エネルギー移動効率が顕著に向上する。
• 非マルコフ型環境結合は、特にバース相関時間が系の位相崩壊時間と同等またはそれ以上である場合、マルコフ型結合よりもより効果的な移動を実現する。
• ポスト・マルコフ近似は、系の結合強度とバース緩和率の比 $ S/\gamma \ll 1 $ である場合に有効であり、弱結合理論やフォルスターサイエンスよりも広い適用範囲を持つ。
• モデルは、適度な環境ノイズが、対称系であっても破壊的干渉部分空間から系を脱出させることで、移動を促進することを示した。
• この枠組みは、非均一な結合を持つ多中心反応系へも成功裏に拡張可能であり、複雑な光合成構造のモデル化における頑健さと一般性を示した。