[論文レビュー] Noise-Assisted Quantum Electron Transfer in Multi-Level Donor-Acceptor System

S. A. Gurvitz, Alexander I. Nesterov+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2014

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、複数のエネルギー準位からなるドナー・アクセプター系におけるノイズ補助量子電子移動を調査し、アクセプターをノイズの影響を受ける環境と結合したエネルギー準位のバンドとしてモデル化する。解析的に電子移動率を導出し、非简併な条件下では、長時間経過した時点ですべてのアクセプター準位が等しい分布を示すことを示しており、これはレドックスポテンシャルやバンド構造にかかわらず、電子移動効率がほぼ100%に達することを意味する。

ABSTRACT

We study theoretically the noise-assisted quantum exciton (electron) transfer (ET) in bio-complexes consisting of a single-level electron donor and an acceptor which has a complicated internal structure, and is modeled by many electron energy levels. Interactions are included between the donor and the acceptor energy levels and with the protein-solvent noisy environment. Different regions of parameters are considered, which characterize (i) the number of the acceptor levels, (ii) the acceptor \band-width, and (iii) the amplitude of noise and its correlation time. Under some conditions, we derive analytical expressions for the ET rate and efficiency. We obtain equal occupation of all levels at large times, independently of the structure of the acceptor band and the noise parameters, but under the condition of non-degeneracy of the acceptor energy levels. We discuss the multi-scale dynamics of the acceptor population, and the accompanying effect of quantum coherent oscillations. We also demonstrate that for large number of levels in the acceptor band, the efficiency of ET can be close to 100%, for both downhill and uphill transitions and for sharp and at redox potentials.

研究の動機と目的

• 複雑なアクセプター構造を有する複数準位のドナー・アクセプター系における環境ノイズが電子移動をどのように向上させるかを理解すること。
• アクセプター準位バンド幅、エネルギー準位数、ノイズパラメータ（振幅および相関時間）が電子移動ダイナミクスに与える影響を分析すること。
• ダウンハイルおよびアッパーハイルの両過程において、電子移動効率が100%に近づく条件を特定すること。
• アクセプター系における量子コherentな振動およびマルチスケールの分布ダイナミクスの出現を調査すること。
• さまざまなパラメータ領域における電子移動率および効率の解析的表現を導出すること。

提案手法

• ドナーを単一準位、ノイズの影響を受ける環境と結合した複数準位のバンドとしてアクセプターをモデル化する。
• ドナー準位とアクセプター準位との相互作用、およびタンパク質・溶媒環境への確率的ノイズ項による結合を組み込む。
• 密度行列の時間発展を記述するためのマスター方程式を用い、ノイズ相関を考慮する。
• 解析的手法を用いて電子移動率および長時間における分布の表現を導出する。
• 準位数、バンド幅、ノイズ振幅、相関時間などの異なるパラメータ領域を検討する。
• 系の漸近的挙動を分析し、アクセプター準位間の定常状態分布を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノイズが複数準位のドナー・アクセプター系における電子移動効率をどのように向上させるか、どのような条件下か。
• RQ2 アクセプター準位数が長時間における分布および移動効率に与える影響は何か。
• RQ3 ダウンハイルおよびアッパーハイルの両過程において、電子移動効率が100%に近づくことは可能か。
• RQ4 量子コherentな振動がアクセプター分布の進化におけるマルチスケールダイナミクスに果たす役割は何か。
• RQ5 ノイズ振幅および相関時間は、アクセプター準位の分布の均衡化にどのように影響するか。

主な発見

• 非簡併な条件下では、バンド構造やノイズパラメータにかかわらず、長時間経過した時点ですべてのアクセプター準位が等しい分布に達する。
• ダウンハイルおよびアッパーハイルの両過程において、アクセプター準位バンド幅やレドックスポテンシャル分布にかかわらず、電子移動効率は100%に近づくことができる。
• 系はマルチスケールのダイナミクスを示し、高速なコherentな振動が遅い分布均衡化プロセスの上に重畳されている。
• 分布の均衡化に至る遷移期には量子コherentな振動が観測され、非マーカフ的ダイナミクスを示している。
• 特定のパラメータ条件下で電子移動率の解析的表現が導出され、移動キネティクスの定量的予測が可能になる。
• ノイズ補助メカニズムにより、アクセプター準位バンド全体にわたる強固な分布再配置が可能となり、高精度な電子移動が促進される。