[論文レビュー] Vibrational structures and long-lasting electronic coherence

Alex W. Chin, Javier Prior+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2012

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、光合成色素-タンパク質複合体（PPC）のタンパク質環境における非平衡な振動モードが、生理的温度下でも電子コherenceの自発的生成および長期間にわたる維持を可能にすると提案している。数値的に正確なTEDOPA法を用いて、著者らはスペクトル的に鋭い振動モードがコherentlyな励起子ダイナミクスを駆動することを示し、Fenna-Matthews-Olson複合体における実験的に観測されたコherence時間と一致させた。これにより、生物学的光捕集における量子コherenceの微視的メカニズムが提示された。

ABSTRACT

Recent observations of beating signals in the excitation energy transfer dynamics of photosynthetic complexes have been interpreted as evidence for sustained coherences that are sufficiently long-lived for energy transport and coherence to coexist. The possibility that coherence may be exploited in biological processes has opened up new avenues of exploration at the interface of physics and biology. The microscopic origin of these long-lived coherences, however, remains to be uncovered. Here we present such a mechanism and verify it by numerically exact simulations of system-environment dynamics. Crucially, the non-trivial spectral structures of the environmental fluctuations and particularly discrete vibrational modes can lead to the generation and sustenance of both oscillatory energy transport and electronic coherence on timescales that are comparable to excitation energy transport. This suggests that the non-trivial structure of protein environments plays a more significant role for coherence in biological processes than previously believed.

研究の動機と目的

• 急速なデコherenceが生じるノイズの多い生物学的環境下でも、電子コherenceがどのように持続可能であるかという根本的問いを解明すること。
• 光合成光捕集複合体における長寿命な電子コherenceを可能にする微視的メカニズムを特定すること。
• 一つの量子モデル内でコherence、エネルギー移動、デコherenceダイナミクスを統一的に説明すること。
• 非平衡な振動モード構造がコherenceを駆動・維持できることを示し、コherenceが孤立または設計された系に依存するという仮定に挑戦すること。

提案手法

• 時間に依存する密度行列を直交多項式アルゴリズム（TEDOPA）を用いて、完全な温度依存性を考慮したオープン量子系ダイナミクスをシミュレートした。
• クロモフォアを結合した励起子状態と、離散的な振動モードを含むスペクトル関数でモデル化した。
• 時間依存の純位相ずれを含む一般化された時刻局所的マスター方程式を用いて、非マークフ・効果を近似した。
• モード-励起子結合によるコherence生成の物理的メカニズムを説明するため、半古典的モデルを適用した。
• バースを非マークフ・かつ非平衡とみなすことにより、共鳴的なスペクトル構造がコherenceを駆動できることを可能にした。
• 特に77 KでのFenna-Matthews-Olson複合体について、実験的2次元電子分光スペクトルと結果を照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光合成複合体において、室温下で何百フェムト秒も続く電子コherenceはどのようにして維持可能なのか？
• RQ2 非平衡な振動モードは、環境によるデコherenceに対して電子コherenceをどのように維持しているのか？
• RQ3 一つの微視的モデルが、同時にコherence、エネルギー移動、デコherence減衰を説明可能か？
• RQ4 初期の振動モード励起がなければ、どのようにしてコherenceが自発的に生成されるのか？

主な発見

• タンパク質環境における非平衡な振動モード構造が、PPCにおける電子コherenceの自発的生成および維持を可能にしている。
• TEDOPA法は、Fenna-Matthews-Olson複合体における実験的に観測されたコherence時間、77 K下で最大2 psのものまで正確に再現した。
• スペクトル的に鋭い振動モードとの準コherentな相互作用が、生理的温度下でもコherenceを維持している。
• モデルは、重ね合わせられたコherentな振動を伴う多指数的励起子分布の減衰を予測しており、実験的アナリスティープロファイルの減衰データと整合的である。
• 初期の振動モード励起がなくても、モード-励起子結合によって電子コherenceが自発的に生成される。
• 振動モードへの結合が強くなるほど、コherenceの大きさと寿命が増加し、励起子状態と振動状態のハイブリダイゼーションが示唆された。