[논문 리뷰] A Quantum trajectory picture of single photon absorption and energy transport in photosystem II

Robert L. Cook, Liwen Ko외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 25.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 양자 궤적 이론을 사용하여 광합성계 II(PSII)에서 단일 광자의 흡수와 에너지 전달을 모델링하며, 전달된 광자를 검출하지 못하는 상황이 시스템의 준위 도달 확률가 거의 1에 가까운 것을 보여준다. 이는 단일 광자 입력이 흥(excited) 상태로의 인상적인 인구 이행을 유도함을 시사하며, 이는 일관된 상태의 흥(excited) 상태 흡수와는 근본적으로 대조된다. 또한, 진동자 환경의 소산은 발광 속도를 조절하여 새로운 방식의 엑시톤 공명을 감지할 수 있는 광자 수세기 증거를 가능하게 하며, 92%의 양자 효율을 예측한다.

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%.

연구 동기 및 목표

• 초고효율의 광합성에서 핵심 단계인 광합성계 II(PSII)에서 단일 광자 흡수의 미세한 역학을 이해하기 위해.
• 이dealized 단일 광자 입력과 현실적인 약한 일관된 상태 흡수 간의 모순을 해결하여 엑시톤 인구 이행을 모델링하기 위해.
• 특히 전달된 광자를 검출하지 못하는 측정의 역작용이 PSII의 조건부 상태에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 소산적인 진동자 환경이 발광 역학을 어떻게 형성하고, 엑시톤 공명을 위한 새로운 증거를 가능하게 하는지 조사하기 위해.
• 완전한 양자 광-물질 상호작용 모델을 사용하여 현실적인 환경 조건 하에서 PSII의 장기적 양자 효율을 예측하기 위해.

제안 방법

• 양자 궤적 이론이 광자 흡수 및 방출의 개별 측정 결과에 따라 PSII의 조건부 진화를 모델링하는 데 적용된다.
• 시스템은 PSII의 자연적 기하학과 일치하는 방향과 분포를 가진 세 개의 집합적 '밝은 상태'로 모델링되며, 이는 효율적인 광-물질 결합을 가능하게 한다.
• 입력 및 출력 광선에 대해 완전한 양자장 기술이 사용되며, 편광 및 공간 모드를 포함하고, 손실 채널은 리드블라드 연산자에 대한 제약 조건을 통해 고려된다.
• 입사 및 탐지된 광선 간의 각도와 편광 상태가 서로 수직인 세 모드의 광자 환경을 사용하며, 방향성 및 편광 의존성 결합을 기술하기 위해 일반화된 결합 행렬 M을 사용한다.
• 결합 행렬 M의 고유값과 고유벡터에 대한 해석적 및 수치적 해가 유도되며, 이는 관측된 및 관측되지 않은 모드로의 결합 강도를 결정한다.
• 진동자 소산은 리드블라드 마스터 방정식을 통해 포함되며, 발광 속도 및 장기적 역학에 대한 비마르코프 효과를 시뮬레이션할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전달된 광자를 검출하지 못하는 상황(즉, 흡수를 의미함)에서 PSII의 조건부 상태는 어떻게 진화하는가?
• RQ2 동일한 평균 광자 수를 가진 단일 광자 입력과 일관된 상태 흡수 간의 흥 상태 인구 동역학의 차이는 무엇인가?
• RQ3 입사 및 탐지된 빛의 방향성과 편광이 PSII의 결합 효율성과 인구 이행에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 소산적인 진동자 환경이 유도하는 발광 속도 조절은 엑시톤 공명을 위한 증거로 기능할 수 있는가?
• RQ5 완전한 양자 모델을 사용하여 현실적인 환경 결합 조건 하에서 PSII의 장기적 양자 효율은 얼마인가?

주요 결과

• 전달된 광자를 검출하지 못하는 상황—흡수를 의미함—은 초기 흥 상태 인구가 O(10⁻⁵)인 시스템을 거의 모든 인구가 흥 상태에 있을 정도로 변화시켜 강력한 측정 역작용을 보여준다.
• 이 인상적인 인구 이행은 단일 광자 입력에만 특화되어 있으며, 동일한 평균 광자 수를 가진 일관된 상태 흡수에서는 발생하지 않으며, 측정에 의한 상태 붕괴 방식의 근본적인 차이를 드러낸다.
• PSII는 방향성과 분포가 PSII의 자연적 구조와 기하학적으로 관련된 세 개의 집합적 '밝은 상태'를 통해 광자장과 결합된다.
• 진동자 환경은 발광 속도를 크게 변화시키며, 이러한 속도 조절은 엑시톤 공명을 위한 새로운 광자 수세기 증거로 기능할 수 있다.
• 진동자 소산 하에서의 장기적 진화는 92%의 양자 효율을 예측하며, 약한 빛 조건에서의 실험 관측과 일치한다.
• 결합 행렬 M은 입사 및 탐지된 광선 간의 각도와 편광에 따라 결정되며, 관측된 및 관측되지 않은 모드로의 결합 강도를 결정한다. 고유값은 q = −1, 0, 1에 대해 m_q = 1 − η(1 + q cos θ)이다.