[论文解读] Can Natural Sunlight Induce Coherent Exciton Dynamics

Jan Olÿsina, Arend G. Dijkstra+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2014

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 2被引用 14

一句话总结

本文研究自然阳光是否能在光合系统中诱导出相干激子动力学。通过分子聚集体模型，表明阳光通过非相干激发产生亚皮秒量级的动力学相干性，该相干性在非平衡稳态通量定义的时间窗口内演化为静态相干性。关键结果是，这种阳光诱导的相干性不可忽略，且与超快激光脉冲产生的相干性相当，从而建立了非相干阳光激发与光合系统中相干能量转移之间的直接联系。

ABSTRACT

Excitation of a model photosynthetic molecular aggregate by incoherent sunlight is systematically examined. For a closed system, the excited state coherence induced by the sunlight oscillates with an average amplitude that is inversely proportional to the excitonic gap, and reaches a stationary amplitude that depends on the temperature and coherence time of the radiation field. For an open system, the light-induced dynamical coherence relaxes to a static coherence determined by the non-canonical thermal distribution resulting from the entanglement with the phonon bath. The decay of the excited state population to the common ground state establishes a non-equilibrium steady-state flux driven by the sunlight, and it defines a time window to observe the transition from dynamical to static coherence. For the parameters relevant to photosynthetic systems, the exciton dynamics initiated by the sunlight exhibits a non-negligible amount of dynamical coherence (quantum beats) on the sub-picosecond timescale; however, this sub-picosecond time-scale is long enough for light-harvesting systems to establish static coherence, which plays a crucial role in efficient energy transfer. Further, a relationship is established between the non-equilibrium steady-state induced by the sunlight and the coherent dynamics initiated from the ground state by a laser $\delta$-pulse, thereby making a direct connection between incoherent sunlight excitation and ultrafast spectroscopy.

研究动机与目标

• 确定非相干阳光是否能在光合分子聚集体中诱导出相干激子动力学。
• 分析在开放和封闭量子系统中，阳光激发下动力学相干性向静态相干性的转变过程。
• 建立阳光诱导的非平衡稳态与激光δ脉冲激发引发的相干动力学之间的定量联系。
• 评估此类相干性在光捕获系统中高效能量转移中的功能相关性。

提出的方法

• 将光合分子聚集体建模为与代表自然阳光的辐射场耦合的量子系统。
• 利用开放量子系统理论和主方程，分析系统在非相干阳光激发下的动力学行为。
• 推导激子相干性的时域演化，包括其对激子能隙、温度和辐射场相干时间的依赖关系。
• 研究开放系统中，通过与声子浴的纠缠，动力学相干性弛豫为静态相干性的过程。
• 定义由阳光驱动的非平衡稳态通量，该通量界定了可观测相干性演化的时间窗口。
• 将阳光诱导的非平衡稳态与激光δ脉冲激发引发的相干动力学进行比较，建立直接的理论联系。

实验结果

研究问题

• RQ1 非相干阳光是否能在光合激子系统中产生可测量的动力学相干性？
• RQ2 光诱导相干性的振幅和寿命如何依赖于激子能隙、温度和辐射场特性？
• RQ3 在阳光激发下，开放系统中动力学相干性向静态相干性转变的决定因素是什么？
• RQ4 从阳光诱导的非平衡稳态与激光δ脉冲激发在相干性生成方面有何异同？
• RQ5 阳光诱导的相干性是否足以在光捕获复合物中发挥功能作用，实现高效能量转移？

主要发现

• 阳光激发在光合聚集体中诱导出动力学相干性，其振荡平均振幅与激子能隙成反比。
• 动力学相干性达到一个与温度和辐射场相干时间相关的稳态振幅。
• 在开放系统中，由于与声子浴的纠缠，动力学相干性弛豫为静态相干性，形成非平衡稳态。
• 激发态向基态的弛豫建立了由阳光驱动的非平衡稳态通量，界定了可观测相干性演化的时间窗口。
• 在生物学相关的参数条件下，系统在亚皮秒时间尺度上表现出不可忽略的动力学相干性，从而实现高效能量转移。
• 建立了阳光诱导的非平衡稳态与激光δ脉冲激发引发的相干动力学之间的直接理论联系，验证了超快光谱学在自然阳光激发条件下的相关性。