[論文レビュー] Revisiting the Excitation Energy Transfer in the Fenna-Matthews-Olson Complex

X. X. Yi, X. Y. Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2012

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Fenna-Matthews-Olson (FMO) 複合体における複素数のサイト間結合が、実数の結合よりも高い励起エネルギー移動 (EET) 効率を顕著に向上させられることを提案している。Frenkel励起子ハミルトニアンにフェノメノロジカルに位相因子を導入することで、デ coherent がない状況では最大 89.72%、サイト 2 での位相揺らぎがある状況では 93.44% の EET 効率を達成した。これは、サイト間結合が複素数である場合、量子もつれ効果が強化され、従来の実数の結合が十分であるという見解に挑戦するものである。

ABSTRACT

It is believed that the quantum coherence itself cannot explain the very high excitation energy transfer (EET) efficiency in the Fenna-Matthews-Olson (FMO) complex. In this paper, we show that this is not the case if the inter-site couplings take complex values. By phenomenologically introducing phases into the inter-site couplings, we obtain the EET efficiency as high as 0.8972 in contrast to 0.6781 with real inter-site couplings. Dependence of the excitation energy transfer efficiency on the initial states is elaborated. Effects of fluctuations in the site energies and inter-site couplings are also examined.

研究の動機と目的

• FMO 複合体における複素数のサイト間結合が、実数の結合よりも高い励起エネルギー移動 (EET) 効率を達成できるかどうかを調査すること。
• Frenkel 励起子モデルに従い、サイト間結合の相対的位相を最適化して EET 効率を最大化すること。
• 特に異なるサイトの重ね合わせ状態であるコherentな初期状態が EET 効率に与える影響を検討すること。
• オンサイトエネルギーとサイト間結合の揺らぎ（ガウスノイズとしてモデル化）に対する EET 効率のロバストネスを評価すること。
• サイト間結合が複素数である場合の量子もつれの役割を明らかにし、従来の実数の結合が十分であるという仮定と対比すること。

提案手法

• 7サイトの Frenkel 励起子ハミルトニアンを用いて FMO 複合体をモデル化し、複素数のサイト間結合を含める。ハミルトニアンは $ H = \sum_j E_j |j\rangle\langle j| + \sum_{i>j} (J_{ij} |i\rangle\langle j| + J_{ij}^* |j\rangle\langle i|) $ で表される。
• サイト間結合 $ J_{ij} $ に位相をフェノメノロジカルに導入し、複素数の値を許容するが、$ J_{ij} = J_{ji}^* $ を満たすことでエルミート性を保つ。
• 時間に依存するシュレーディンガー方程式を用いて励起状態のダイナミクスをシミュレートし、位相揺らぎの有無を比較。EET 効率は 5 ps 時にサイト 7 に移動した励起状態の割合として計算される。
• 初期状態をサイト 1 とサイト 6（またはサイト 2）のコherentな重ね合わせとして変化させ、EET 効率への影響を定量的に評価する。
• オンサイトエネルギーとサイト間結合にガウス分布に従う揺らぎを適用し、環境ノイズを模擬。EET 効率は 15 回の独立実験の平均値を用いる。
• 実数結合と複素数結合の両ケースにおいて固有エネルギーとエネルギー差を計算し、特に 2D エコー分光法と吸収分光法のスペクトル的特徴を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FMO 複合体における複素数のサイト間結合は、実数の結合よりも高い励起エネルギー移動 (EET) 効率をもたらすか？
• RQ2 特に異なるサイトの重ね合わせ状態である初期励起状態の選択が、EET 効率にどのように影響するか？
• RQ3 EET 効率を最大化するためのサイト間結合における位相因子の最適な設定は何か？
• RQ4 オンサイトエネルギーとサイト間結合の揺らぎが EET 効率を低下させるか。また、そのようなノイズに対してシステムはロバストか？
• RQ5 サイト間結合が複素数である場合、固有エネルギーとエネルギー差といった分光的性質はどのように変化するか。実験的に検出可能か？

主な発見

• 最適化された複素数のサイト間結合を用いた場合、EET 効率は 5 ps 時に最大 89.72% に達し、実数結合の 67.81% より顕著に高い。
• サイト 2 のみに位相揺らぎがある場合、EET 効率は 93.44% に上昇し、環境による位相揺らぎと複素数結合の組み合わせが輸送をさらに強化することが示された。
• サイト 1 とサイト 6 のコherentな重ね合わせ状態は EET 効率を低下させるが、サイト 2 を含む重ね合わせ状態は最小限の影響しか与えず、サイト 2 が輸送経路において中心的な役割を果たしていることが示唆された。
• オンサイトエネルギーとサイト間結合の揺らぎは、サイトエネルギーと結合位相の不一致により EET 効率を低下させる。平均値と標準偏差が増加するほど効率は低下した。
• 複素数結合を用いた系の固有エネルギーは、実数結合のものとわずかに異なる。最大で 8.25% の差が第 7 固有状態で観察され、吸収分光法および 2D エコー分光法のシグネチャにほとんど変化がないことを示唆している。
• 本研究は、複素数のサイト間結合が EET における量子もつれ効果を顕著に向上させられることを示し、自然の光合成系における高い効率を実数の結合のみで説明できるという仮定に疑問を呈している。