[论文解读] 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 3

一句话总结

本文研究了多层级给体-受体系统中噪声辅助的量子电子转移，将受体建模为与噪声环境耦合的能级带。通过解析推导电子转移速率，表明在非简并条件下，所有受体能级在长时间后达到相等布居，从而实现无论氧化还原电势或能带结构如何，电子转移效率接近100%。

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.

研究动机与目标

• 理解环境噪声如何增强具有复杂受体结构的多层级给体-受体系统中的电子转移。
• 分析受体能带宽度、能级数量以及噪声参数（振幅与相关时间）对电子转移动力学的影响。
• 确定电子转移效率在下降与上升过程均趋近100%的条件。
• 研究受体系统中量子相干振荡与多尺度布居动力学的出现机制。
• 在不同参数区域推导电子转移速率与效率的解析表达式。

提出的方法

• 将受体建模为具有非简并能级的多层级能带，与单层级给体及噪声环境耦合。
• 引入给体与受体能级之间的相互作用，以及通过随机噪声项与蛋白质-溶剂环境的耦合。
• 采用主方程方法描述系统密度矩阵的时间演化，考虑噪声相关性。
• 应用解析技术推导电子转移速率与长时间布居分布的表达式。
• 考虑不同参数区域：受体能级数量、能带宽度、噪声振幅与相关时间。
• 分析系统的渐近行为，以确定受体能级间稳态布居分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，噪声可增强多层级给体-受体系统中的电子转移效率？
• RQ2 受体能级数量如何影响长时间布居分布与转移效率？
• RQ3 电子转移效率是否可在下降与上升电子转移过程中均趋近100%？
• RQ4 量子相干振荡在受体布居演化多尺度动力学中扮演何种角色？
• RQ5 噪声振幅与相关时间如何影响受体能级布居的平衡过程？

主要发现

• 在长时间后，所有受体能级达到相等布居，且与能带结构或噪声参数无关，前提是受体能级为非简并。
• 电子转移效率在下降与上升过程均可趋近100%，无论受体能带宽度或氧化还原电势分布如何。
• 系统表现出多尺度动力学，快速相干振荡叠加在较慢的布居平衡过程之上。
• 在布居平衡前的瞬态阶段观察到量子相干振荡，表明存在非马尔可夫动力学。
• 在特定参数条件下推导出电子转移速率的解析表达式，可实现对转移动力学的定量预测。
• 噪声辅助机制实现了受体能带内布居的鲁棒再分布，促进高保真电子转移。