Influence of Static and Dynamic Disorder on the Anisotropy of Emission in the Ring Antenna Subunits of Purple Bacteria Photosynthetic Systems
利用约化密度矩阵方法计算了紫色细菌捕光环系统中激子散射的时间依赖性。与Kumble和Hochstrasser（J.Chem.Phys.109（1998）855）的工作相反，考虑了静态无序（位置能量的波动）以及动态无序（耗散）。对于耗散的描述，我们使用Redfield理论在激子本征态没有长期近似。这被证明是等价于马尔可夫极限的Capek的理论在当地的国家。研究了具有18种色素的圆形聚集体，以模拟LH2络合物内细菌叶绿素的B850环。可以证明，耗散对于荧光的时间依赖性各向异性是重要的。与Kumble和Hochstrasser的结果相比，较小的静态无序值足以产生相同的各向异性衰减率。
2001-06-14 physics.bio-ph physics.chem-ph
Quantum scattering model of energy transfer in photosynthetic complexes
我们发展了一个量子散射模型来描述激子通过Fenna-Matthews-Olson（FMO）复合物的输运。结果表明，与经典行为相比，最佳量子相干条件下的激子输运效率更高。此外，我们还发现，量子共振条件在多个途径中比在一个途径中更容易满足。然后，我们明确地证明了色素的最佳分布，众多的能量传递途径和量子效应，结合在一起，有助于FMO复合物中完美的能量传输。
2012-01-09 physics.chem-ph q-bio.BM quant-ph
Formally Exact Simulations of Mesoscale Exciton Diffusion in a Photosynthetic Aggregate
植物和细菌的光合装置将原子级精确的色素-蛋白质复合物与动态膜结构相结合，以控制10-100 nm长度尺度上的能量传递。最近，合成材料已整合光合天线蛋白质，以提高激子的运输，虽然在这些生物杂化材料的激发态动力学的人工包装的影响仍然不清楚。在这里，我们使用自适应纯态层次（adHOPS）对具有一系列堆积密度的集光复合物2（LH 2）的人工聚集体内的激发能转移进行形式上精确的模拟。我们发现，LH 2聚集体支持一个显着的激子扩散长度范围从100 nm的生物堆积密度到300 nm的dendritic包装以前建议在人工聚集体。这些计算的空前规模也强调了adHOPS在现实分子材料中模拟激发态过程的效率。
2023-01-11 physics.chem-ph
Single-photon absorption by single photosynthetic light-harvesting complexes
我们提供了一个统一的理论方法，在光合捕光复合物的单光子吸收和随后的激子能量转移的量子动力学。我们的分析结合了一个连续的模式<n>-光子的量子光学主方程的发色团系统的运动方程的层次描述激子动力学的存在下，非马尔可夫耦合的发色团和周围的蛋白质的振动。我们采用的方法来模拟吸收的单光子相干态的色素蛋白质复合物含有一个和七个发色团之间，并与通过激发使用热辐射场得到的结果进行比较。我们表明，在单光子吸收条件下获得的激发概率的值可以始终与体吸收截面。分析的时间尺度和效率的单光子吸收的光捕获系统在此完整的量子描述的色素蛋白质的动力学耦合到量子辐射场揭示了一个非平凡的依赖性的激发概率和激发态动力学诱导的激子-声子耦合期间和之后的脉冲，对入射光子脉冲的带宽。对于等于叶绿素a的光谱带宽的带宽，我们的结果产生的估计的平均时间为~0.09秒的单个叶绿素发色团吸收的能量相当于一个（单偏振）光子照射下的单光子状态在太阳光的强度。
2018-01-14 physics.chem-ph quant-ph
Spatially-resolved Fluorescence-detected Two-dimensional Electronic Spectroscopy Probes Varying Electronic Couplings in Photosynthetic Bacteria
我们提出了一种变化的二维电子光谱，能够映射空间变化的差异，在电子耦合使用相关的地图的激发和检测频率，灵敏度的数量级优于传统的空间平均电子光谱。该方法在显微镜中进行基于荧光检测的完全共线二维电子光谱，结合飞秒时间分辨率，亚微米空间分辨率和荧光检测的灵敏度。我们证明了光合细菌的混合物，已知表现出的电子结构与生长条件的变化的方法。混合细菌菌落的构成中的空间变化表现为在所测量的二维等高线图中的空间变化的峰强度，其表现出细菌蛋白的激发电子态之间的良好分辨的电子耦合。
2018-02-17 physics.bio-ph physics.chem-ph
Two-dimensional electronic spectra of the photosynthetic apparatus of green sulfur bacteria
时间分辨光谱技术的发展为天然光合复合体的能量传输提供了新的视角。新的理论工具和模型正在开发，以解释实验结果。我们提供了一个模型计算的二维电子光谱Cholorobaculum tepidum正确描述的主要特点和转移时间尺度在最近的实验中发现。从我们的计算中可以推断出天线叶绿体与环境的耦合以及叶绿体与Fenna-Matthews-Olson复合物之间的耦合。我们表明，环境辅助运输之间的亚基是所需的机制，重现实验的二维电子光谱。
2017-02-22 physics.bio-ph physics.chem-ph
Optimization of energy transport in the Fenna-Matthews-Olson complex via site-varying pigment-protein interactions
光合作用系统中的能量传输可以非常有效。特别是，我们研究激子运输中发现的Fenna-Mathews-Olsen（FMO）复杂的绿硫细菌。激子动力学和能量转移效率取决于与系统环境的相互作用。基于现实的，网站依赖的，模型的系统浴耦合，我们表明，这种相互作用是高度优化的情况下，FMO。此外，我们确定了两个传输路径，并指出，一个是由相干动力学和其他由经典的能量耗散为主。特别是，我们注意到一个很强的相关性之间的能量传输效率和激子转移的相干性从细菌叶绿素（BChl）8 BChl 4。两个明确的途径的存在和BChl 4所起的作用也挑战了围绕FMO复合物与反应中心偶联的假设。
2018-07-10 physics.chem-ph
Coherent excitation energy transfer in model photosynthetic reaction center: Effects of non-Markovian quantum environment
激发能传递（EET）和电子传递（ET）是光合作用过程中的重要环节。实际上，光合反应中心构成了一个EET和ET的开放量子系统，它体现了色素、太阳光和声子浴的相互作用。到目前为止，理论研究主要基于马尔可夫条件下的主方程方法。非马尔可夫环境效应可能起着至关重要的作用，但尚未得到充分考虑。在这项工作中，我们提出了一个混合动态的方法来调查这个开放系统。声子浴的影响用精确耗散运动方程（DEOM）处理，光子浴的影响用Lindblad主方程处理。具体而言，我们探讨了非马尔可夫量子声子浴对相干转移动力学的影响及其对电流-电压行为的操纵。与完全马尔可夫林德布拉德方程和经典环境描述的结果不同，混合DEOM-Lindblad模拟显示了高达几百飞秒的传输相干性以及相应的环境操纵效应.这些非马尔可夫量子相干效应可以推广到更复杂和现实的系统中，并有助于有机光伏器件的设计。
2022-08-08 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Absence of selection for quantum coherence in the Fenna-Matthews-Olson complex: a combined evolutionary and excitonic study
我们提出了一个进化的芬纳-马修斯-奥尔森细菌光合色素蛋白质复合物的研究。这种蛋白质复合物起着天线的作用。它将吸收的光子-激子-运送到光合反应开始的反应中心。因此，激子传输的效率是光合细菌生存的基础。我们已经重建了复杂的祖先，以建立激子传输的相干性是否随着时间的推移被选择或优化。我们还研究了在进化过程中优化折叠自由能变化的作用。我们研究了从热力学的角度来看，将祖先与当今物种联系起来的突变是稳定的还是不稳定的。从这项研究中，我们确定了这些突变中的大多数是有害的。此外，我们没有看到激子传输效率或相干性的大的变化，因此我们的结果预测激子相干性不是特别选择的。
2017-05-02 physics.bio-ph physics.chem-ph
Unexpectedly large delocalization of the initial excitation in photosynthetic light harvesting
电子二维光谱学允许化学和生物学中的非平凡量子效应以前所未有的细节进行探索。在这里，我们应用最近开发的荧光检测相干二维光谱研究光合紫色细菌的光捕获天线2（LH2）。该方法利用两个信号分量之间的相消干涉，从而揭示在传统的基于光子回波的2D和瞬态吸收测量中不可见的交叉峰。信号产生量子路径的分析得出的结论是，与目前流行的物理图像相反，LH 2的两个弱耦合色素环共享初始电子激发，导致两个明显分离的带之间的量子力学相关性。这些结果是一般性的，不仅在光合作用，但在所有的光吸收系统的激发态的解释有后果。初始离域可能是通过朝向能量漏斗的偏置运动来提高光捕获效率的关键。
2018-07-07 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.optics
Computational Methodologies and Physical Insights into Electronic Energy Transfer in Photosynthetic Light-Harvesting Complexes
我们研究计算技术和方法，目前正在使用的光捕获复合物的光合天线系统中探索电子激发能转移的背景下，并评论一些新的见解的基础物理。这些方法的优点和缺陷进行了讨论，是一些物理的光合动力学的见解。通过将复合物的分子建模（结构描述）与有效的非平衡统计描述（时间演化）相结合，我们确定了一些一般特征，无论蛋白质支架中的特定分布如何，这些特征对捕光动力学至关重要，并且最终可能与整个过程的高效率有关。基于这些普遍的共同特点，在该领域的一些可能的新方向进行了讨论。
2012-05-21 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Modified-scaled hierarchical equation of motion approach for the study of quantum coherence in photosynthetic complexes
我们提出了一个详细的理论研究的电子激发能通过Fenna-Matthews-Olson（FMO）色素-蛋白质复合物，使用新开发的改进的缩放分级方法[Shi Q.等人，J Chem Phys 2009，130，084105]。我们表明，这种方法是计算效率比原来的分层方法。该方法降低了辅助密度算子和关联函数的截断水平。我们提供了一个系统的研究辅助密度算符的数量和高阶关联函数如何影响激子动力学。相干拍频的时间尺度与实验观测一致。此外，我们的理论结果表明，在生理温度下的人口殴打。此外，该方法不需要低温校正来获得长时间的正确热平衡。
2011-01-09 physics.chem-ph quant-ph
Dependence of energy relaxation and vibrational coherence on the location of light-harvesting chromoproteins in photosynthetic antenna protein complexes
该研究通过二维电子光谱比较藻胆体中不同位置的色素蛋白，发现位置影响能量弛豫与振动相干性，可能是高效单向能量传递的关键机制。
2025-01-20 physics.bio-ph physics.chem-ph
Resonant Vibrational-Electronic Coupling between Photosynthetic Excitons is Inadequately Described by Reduced Basis Sets
振动电子共振及其在能量和电荷转移中的作用已经在几种光合作用蛋白质中进行了实验和理论研究。使用一个典型的光合作用蛋白质的二聚体建模，我们对比这样的激子的描述提供了一个精确的基组描述，而不是一个基组与降低振动维数。使用减少的分析描述的完整的哈密顿量，我们表明，在存在振动激发电子激发以及未激发的网站，建设性的干扰，这样的基础状态之间的激子之间的振动耦合导致振动激发量子的增加而逐渐变得更强。这种效应导致三个显着的特征耦合激子通过振动电子共振，这是没有被捕获的基组与降低振动维数-1。振动电子共振准则本身，2. vibronically辅助完美的离域网站之间，即使纯电子混合网站之间是不完善的，由于充满活力的障碍，3。伴随电子振动激子的核畸变对于涉及更高振动量子的共振电子振动耦合变得越来越大。在光谱学上可观察到的限制的减少基组描述的振动电子共振，几个差异被认为是在吸收和发射光谱，但可能会被掩盖的压倒性的线加宽的帐户。然而，我们发现，一些功能，如电子振动激子离域和振动畸变与电子激发，这最终决定了激发态波包运动和弛豫过程，基本上没有描述下减少基组描述的电子振动共振。
2020-09-02 physics.bio-ph physics.chem-ph
Hidden Vibronic and Excitonic Structure and Vibronic Coherence Transfer in the Bacterial Reaction Center
我们报告了二维电子光谱（2DES）实验的细菌反应中心（BRC）从紫色细菌，揭示隐藏的激子和振动结构。通过分析BRC的相干动力学，我们解析了特定的相干特征，使我们能够明确地分配“特殊对”的上激子能量。“这项任务得到了BRC的简化激子模型的相干动力学模拟的支持。模拟还确定非长期振动相干传输过程中忽略的光合能量转移和电荷分离的标准模型。此外，相干动力学揭示了关键分子内色素振动和激发态能隙之间的多重准共振。这种电子振动共振的光合能量转移和电荷分离的功能意义仍然是一个悬而未决的问题。
2021-03-03 physics.bio-ph physics.chem-ph
Mechanistic Regimes of Vibronic Transport in a Heterodimer and the Design Principle of Incoherent Vibronic Transport in Phycobiliproteins
在观察到光合色素蛋白复合物，特别是藻胆蛋白如PC 645的非线性光谱中的相干振荡之后，相干电子振动传输被建议作为在室温下操作的新型光捕获材料的设计原理。当共振的存在支持电子激发态对之间的瞬时离域时，能量上遥远的颜料之间的振动输运是相干的。在这里，我们建立了一个模型异源二聚体的电子振动输运机制在很宽的范围内的分子参数值。由此产生的机械图表明，藻胆蛋白的分子参数，事实上支持非相干电子振动传输。这一结果指出了一个重要的设计原则：当能量无序超过施主和振动激发受主态之间的耦合时，非相干电子振动输运比相干机制更有效。最后，我们的研究结果表明，在色素蛋白复合物的相干电子振动传输的作用，应重新评估。
2018-03-16 physics.chem-ph
Long-lived quantum coherence in photosynthetic complexes at physiological temperature
光合天线复合体通过将激发转移到反应中心来捕获和集中太阳辐射，反应中心将来自光子的能量存储在化学键中。这个过程以近乎完美的量子效率发生。最近在低温下的实验已经揭示了相干能量转移--一种波状转移机制--发生在许多光合色素-蛋白质复合物中（1-4）。使用Fenna-Matthews-Olson天线复合体（FMO）作为模型系统，结合非相干和相干传输以及热失相的理论研究预测，环境辅助的量子传输效率在生理温度附近达到峰值;这些研究进一步表明，该过程相当于量子随机行走算法（5-8）。该理论要求在室温下具有长寿命的量子相干性，这在FMO中从未观察到。在这里，我们提出的第一个证据表明，量子相干性生存在FMO在生理温度至少300 fs，足够长的时间来执行一个基本的量子计算操作。这一数据证明，在77 K下发现的波浪状能量传递过程与生物功能直接相关。在显微镜下，我们将这种长的相干寿命归因于包裹发色团的蛋白质基质内的相关运动，并且我们发现蛋白质提供的保护程度在77 K和277 K之间似乎是恒定的。蛋白质塑造能量景观，并介导有效的能量转移，尽管热波动。在这些条件下，动态无序系统中量子相干性的持久性表明了一种新的仿生策略，用于设计可以在高温下运行的专用量子计算设备。
2010-01-28 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Exact Simulation of Pigment-Protein Complexes Unveils Vibronic Renormalization of Electronic Parameters in Ultrafast Spectroscopy
光合作用的主要步骤依赖于色素蛋白复合物（PPC）中激子的产生、运输和捕获。一般来说，PPC具有高度结构化的振动光谱，结合了许多离散的色素内模式和准连续的蛋白质模式，具有相当强度的振动和电子耦合。由此产生的振动动力学的复杂性提出了重大的挑战，在建立光谱数据和底层微观模型之间的定量连接。在这里，我们将展示如何解决这一挑战，考虑两个模型系统，即水溶性叶绿素结合蛋白的花椰菜和特殊的一对细菌反应中心，使用数值精确模拟方法。我们表明，包括完整的多模式振动动力学的线性光谱的数值计算导致系统和定量显着的电子参数估计的修正。这些多模电子振动效应被证明是相关的，在长期的讨论中，在多维非线性光谱的长寿命振荡的起源。
2022-06-05 physics.chem-ph quant-ph
Quantum effects in biology: master equation studies of exciton motion in photosynthetic systems
Physical Research Laboratory（物理研究实验室）
本研究针对光合系统激子长时程量子相干效应无法用传统半经典及微扰主方程解释的问题，总结了自研的非微扰研究方法，并介绍了2D光子回波光谱技术的物理原理。
2012-03-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Quantum entanglement phenomena in photosynthetic light harvesting complexes
本文综述了光合捕光复合物中量子纠缠的最新理论计算。这些作品建立，第一次，这种特征量子力学现象在生物功能结构的表现。我们首先总结了模型生物分子系统的计算，旨在揭示非平衡生物环境中的量子纠缠的非平凡特性。然后，我们讨论和比较几个计算最近进行的激子动力学的Fenna-Matthews-Olson捕光复合物和纠缠存在于这个广泛研究的色素蛋白质结构。我们指出的共同点之间的衍生结果，也确定和解释的差异。我们还讨论了最近研究结构更复杂的集光复合物II（LHCII）中纠缠的工作。在此概述中，我们借此机会澄清几个微妙的问题，纠缠在这样的生物分子系统，包括纠缠在生物功能中的作用，动力学建模的复杂性，需要捕捉纠缠在这样的生物分子系统的显着特点，以及纠缠和其他量子力学功能之间的关系，观察和预测的光捕获复合物。最后，我们提出了可能的扩展目前的工作，并审查了实验确认的预测纠缠现象的光捕获复合物的选项。
2010-12-18 physics.chem-ph quant-ph
Constrained geometric dynamics of the Fenna-Matthews-Olson complex: The role of correlated motion in reducing uncertainty in excitation energy transfer
绿硫细菌的Fenna Mathews Olson（FMO）复合物是光合色素蛋白质复合物的一个例子，其中色素的电子性质被蛋白质环境改变以促进从天线复合物到反应中心的有效激子能量转移。FMO络合物的许多电子性质可以从静态晶体结构的知识中提取。然而，最近对FMO复合体中持久量子动力学的观察和分析表明，蛋白质动力学是在实验室条件下保护和产生量子相干性的关键因素。虽然快速的分子间和分子内的振动已被广泛研究，慢动力学，有效地确定光学非均匀加宽的实验合奏得到较少的关注。我们的研究采用约束几何动力学研究蛋白质网络的灵活性，有效地产生可访问的构象状态从公布的晶体结构。统计和主成分分析揭示了功能相关元素之间的高度相关的低频运动，包括激子耦合的颜料之间的强相关性。我们的分析揭示了一个层次的结构相互作用，执行这些相关的运动，从单体单体接口的水平下降到α螺旋，β片层和颜料。除了诱导强的空间相关性的构象合奏，我们发现，整体刚性的FMO复杂的是非常高的。我们认为，这些观察结果支持的想法，高度相关的非均匀无序的电子激发态，这是进一步支持的构象合奏的激子耦合的显着低方差。
2014-07-08 cond-mat.other physics.bio-ph physics.chem-ph
Atomistic study of energy funneling in the light-harvesting complex of green sulfur bacteria
光养生物，如植物、光合细菌和藻类，利用色素分子的微观复合体吸收阳光。在通常具有几个功能和结构亚基的捕光复合物内，能量以分子激发的形式以非常高的效率转移。绿硫细菌被认为是最有效的捕光生物之一。尽管对这些细菌进行了多项实验和理论研究，但其捕光复合物中有效和强大的能量转移的物理起源尚未得到很好的理解。为了在系统水平上研究激发动力学，我们引入了一个原子模型，模仿一个完整的光捕获装置的绿硫细菌。该模型包含约4000个色素分子，并包括一个双壁辊的叶绿体，基板和六个芬娜-马修斯-奥尔森三聚体复合物。我们发现，功能亚基内的快速弛豫结合色素的集体激发态之间的转移，可以导致强大的能量泛函。能量传递对初始激发条件和温度变化具有鲁棒性。此外，相同的机制描述了在超快光学实验中经常观察到的多个时间尺度的激发动力学的共存。虽然我们的研究结果支持超传输的假设，但该模型揭示了能量在不同长度尺度上通过多个通道传输。
2013-11-22 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Nature does not rely on long-lived electronic quantum coherence for photosynthetic energy transfer
在光合作用的第一步骤期间，撞击太阳光子的能量被转换成捕光生物分子复合物的电子激发能。随后的能量转移到反应中心被理解为激子准粒子，其在小于100飞秒（fs）的典型时间尺度上在生物分子位点的网格上移动。自量子力学早期以来，这种能量转移被描述为具有经典占位概率的非相干福斯特跳跃，但具有量子力学确定的速率常数。这一正统的观点受到了芬纳-马修斯-奥尔森蛋白质超快光谱实验的挑战，在该实验中，报道了高达1.5皮秒的干涉振荡信号，并将其解释为异常长寿的电子量子相干性的直接证据。在这里，我们表明，在环境温度下的水溶液中的光学二维光子回波光谱的复杂的不提供任何长寿命的电子量子相干性的证据，但确认正统的观点，迅速衰减的电子量子相干性的时间尺度为60 fs。我们的研究结果没有暗示电子量子相干性在真正的光活性生物分子复合物中起任何生物功能作用。由于这种天然能量转移复合物相当小，并且具有结构明确的蛋白质，细菌叶绿素之间的距离与其他捕光复合物相当，我们预计这一发现是普遍的，并直接适用于更大的光活性生物分子复合物。
2016-10-26 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Disordered Photosynthetic Aggregates Can Host Functional Vibronic Couplings At Room Temperature
本研究通过卟啉纳米管二维电子光谱，证实无序光合聚集体在室温下能承载功能性振子耦合，并发现能量无序与密集拉曼振动相当且重组能小的参数区间是关键设计原则。
2025-07-15 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.optics
Two-dimensional electronic spectroscopy for the quantum-optics enthusiast
最近的兴趣在光合作用的能量传递的主要事件中的量子力学的作用，导致了收敛的非线性光学光谱学和量子光学的色素蛋白质复合物的能量传递动力学的主题。这两个群体的融合揭示了各自领域的背景和术语之间的不匹配。为了建立联系，我们提供了一个教学指南，以了解二维电子光谱的基础知识，旨在为具有量子光学背景的研究人员。
2013-07-22 physics.chem-ph quant-ph
Atomistic study of the long-lived quantum coherences in the Fenna-Matthews-Olson complex
在生物光合作用系统中，电子能量传递过程中出现的长寿命量子相干性的物理起源已被大量的理论研究所阐明。虽然在许多方面是成功的，但几个广泛使用的描述仅包括蛋白质-发色团相互作用的有效处理。在这项工作中，通过结合全原子分子动力学模拟，含时密度泛函理论，和开放量子系统的方法，我们成功地模拟了Fenna-Matthews-Olson色素-蛋白质复合物的电子能量转移的动力学。由此得到的布居数特征拍频和量子相干性与实验结果和层次运动方程方法符合得很好。在两个不同的温度下，实验的吸收，线性和圆二色性光谱和退相速率恢复。此外，我们提供了一个扩展我们的方法，包括零点波动的振动环境。因此，这项工作提出了第一个步骤来解释激子量子相干性在光合捕光复合物的原子和分子描述的基础上的作用。
2011-12-09 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Charge Separation in the Photosystem II Reaction Center Resolved by Multispectral Two-Dimensional Electronic Spectroscopy
光系统II反应中心（PSII-RC）执行产氧光合作用的主要能量转换步骤。虽然PSII-RC已被广泛研究，但能量转移和电荷分离的相似时间尺度以及Qy区域中严重重叠的颜料跃迁导致其电荷分离机制和激子结构的多种模型。在这里，我们结合二维电子光谱（2DES）与连续探针和二维电子振动光谱（2DEV）研究细胞色素b559-D1 D2 PSII-RC在77 K。这种多光谱组合将重叠的Qy激子与不同的阴离子和颜料特异性Qx和中红外跃迁相关联，以解析电荷分离机制和激子结构。通过广泛的同时分析的多光谱的二维数据，我们发现，电荷分离的收益在多个时间尺度上从一个高度离域的激发态通过一个单一的途径，其中PheoD 1是主要的电子受体，而ChlD 1和PD 1作为主要的电子供体一致行动。
2022-09-20 physics.bio-ph physics.chem-ph
Insights into photosynthetic energy transfer gained from free-energy structure: Coherent transport, incoherent hopping, and vibrational assistance revisited
超短激光脉冲技术的巨大进步使得能够实时观察复杂分子系统中的动力学过程。具体来说，振荡瞬态的发现在二维电子光谱的光合系统刺激了一些理论研究探索可能的物理机制的显着的量子效率的光捕获过程。然而，所采用的理论已经达到了高度的复杂性，并已变得复杂，使其难以深入了解微观过程和生物学上的重要问题。在这项工作中，我们重新审视了环境引起的波动所涉及的电子能量的基本方面，并提出了一种简单的方法来理解能量流与放松的直观图片在漏斗型自由能景观。能量转移的自由能描述揭示了典型的光合系统在几乎无障碍的制度。该方法还提供了洞察相干和不相干的能量转移和标准的必要性的振动援助之间的区别被认为是。
2020-11-01 physics.chem-ph quant-ph
Delocalized Electronic Excitations and their Role in Directional Charge Transfer in the Reaction Center of Rhodobacter Sphaeroides
在紫色细菌中，驱动辐射能转化为化学能的基本电荷分离步骤沿着异源二聚体色素蛋白复合物的一个分支（A分支）进行，即反应中心。在这里，我们使用第一性原理含时密度泛函理论（TDDFT）与最佳调谐的距离分离的杂化泛函研究的电子和激发态结构的主要六个色素在\textit{Rhodobacter sphaeroides}的反应中心。通过明确包括氨基酸残基周围的这六个色素在我们的TDDFT计算，我们系统地研究了能量和电荷转移激发的蛋白质环境的影响。我们的计算表明，一个正向的电荷转移到A分支的能量显着低于第一个电荷转移到B分支，与实验观察到的单向电荷转移。我们进一步表明，列入蛋白质环境红移这种激发显着，允许能量转移耦合$Q_x$激发。通过对跃迁和差密度的分析，我们证明了大多数的$Q$带激发在几种色素上都是强烈离域的，并且它们的空间离域和电荷转移特性决定了它们受到热激活分子振动的强烈影响。我们的研究结果表明，在这个细菌的反应中心的电荷转移机制，并铺平了道路，为进一步的第一性原理调查的离域激发态，电子振动耦合之间的相互作用，和蛋白质环境的作用，这个和其他复杂的光捕获系统。
2022-12-23 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Vibrational damping effects on electronic energy relaxation in molecular aggregates
当描述电子光谱或电子激发能输运时，用独立谐振子表示分子振动自由度会产生不利的影响，因为振动能弛豫变得不可接近。一个标准的理论描述，本文扩展到包括电子-声子和振动-声子耦合。使用这种方法，我们已经模拟了一个模型色素蛋白质系统，并已表明，模式间耦合导致猝灭的色素振动模式，并重新分配的波动谱密度相对于电子激发。此外，新的能量弛豫途径，打开的振动-声子相互作用，允许达到电子激发态平衡更快地在天然存在的水溶性叶绿素结合蛋白（WSCP）聚集体，表明的意义，阻尼的分子振动的intrarmolecular能量弛豫过程速率。
2018-07-19 physics.chem-ph
A Comparative Study of Coherent and Action-Detected 2D Electronic Spectroscopies of a Multichromophore Photosynthetic System
Lund University（隆德大学）；ICFO - Institut de Ciencies Fotoniques, The Barcelona Institute of Science and Technology（ICFO-光子科学研究所，巴塞罗那科学技术研究院）；Biology Centre CAS and Faculty of Science, University of South Bohemia（捷克科学院生物学中心与南波希米亚大学理学院）
本文对比了C-2DES与F-2DES在解析LHCII激子动力学上的表现，确认C-2DES更适合超快能量转移研究，结合两种测量可量化非相干混合的抑制作用，还指出F-2DES存在脉冲整形器非线性的伪影。
2026-08-28 physics.chem-ph
Diverse Transient Chiral Dynamics in Evolutionary distinct Photosynthetic Reaction Centers
本研究利用二维电子光谱探究两种进化不同的光合反应中心的手性能量转移，发现二者手性动力学存在差异，为光合蛋白演化与功能研究提供了新视角。
2024-09-11 physics.chem-ph
Electronic Properties of Random Polymers: Modelling Optical Spectra of Melanins
黑色素是一组复杂的生物色素，广泛分布于从真菌到人类的所有物种中。在各种类型的黑色素中，人类黑色素，真黑素，是棕色或黑色的含氮色素，主要以其在人类皮肤中的光保护特性而闻名。我们进行了理论研究，旨在了解真黑素及其化学前体的吸收光谱。生物色素的结构定义不明确，尽管它被认为是由基于吲哚醌的交联杂聚物组成。作为真黑素结构的基本模型，我们选择了含有氢醌（HQ）和/或5，6-吲哚醌（IQ）和/或半醌（SQ）的五聚体，这些五聚体通常被列为结构黑素单体。真黑素低聚物已被构建为基本单体的随机组合物，并针对键合能量进行优化。在半经验中间忽略微分重叠（INDO）近似下计算了模型组件的吸收光谱。通过奇异聚合物的独立光谱求和，进一步得到真黑素的模型光谱。通过与实验数据的比较表明，INDO/CI方法能够很好地再现合成真黑素的实验光谱特征。
2003-01-18 physics.bio-ph physics.chem-ph
Excitation transfer pathways in excitonic aggregates revealed by the stochastic Schrödinger equation
我们推导了系统波矢的随机薛定谔方程，并用它来描述分子聚集体中的激发能转移动力学。我们提出了一种基于量子测量的方法来估计激发转移时间。通过对模型系统进行计算，证明了所提出的方法的准确性。然后，该理论被应用到研究的激发传递动力学在光合色素-蛋白质Fenna-Matthews-Olson（FMO）聚集体使用德拜谱密度和从早期的分子动力学模拟包含强振动的高频模式得到的谱密度。结果表明，FMO体系中的激发转移时间受振动模式的影响，但转移途径保持不变。
2014-01-14 physics.chem-ph quant-ph
Multipartite Quantum Entanglement Evolution in Photosynthetic Complexes
我们研究了Fenna-Matthew-Olson（FMO）复合体中纠缠的演化，并基于标度层次运动方程（HEOM）方法进行了模拟。我们研究的作用，多体纠缠的FMO复杂的凸屋顶优化的一些措施，包括一些以前没有被评估的直接计算。我们还考虑了一夫一妻制的纠缠在这些模拟中的作用。我们利用了单激子子空间中单偶边界饱和的事实。这使我们能够准确地计算更多的纠缠度量，也验证了凸屋顶的评估。然后，我们使用直接计算的凸屋顶来评估措施，不是由一夫一妻制。这种方法提供了一个更完整的帐户，在这些系统中的纠缠比迄今为止。我们的研究结果支持的假设，多体纠缠是最大的主要沿两个不同的电子能量转移途径。
2012-07-12 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Non-Markovian Second-Order Quantum Master Equation and Its Markovian Limit: Electronic Energy Transfer in Model Photosynthetic Systems
University of Toronto（多伦多大学）；Physical Research Laboratory（物理研究实验室）
本研究提出求解二阶玻恩近似下非马尔可夫主方程的数值算法，分析了光合二聚体模型中马尔可夫与二阶近似的适用范围，给出解析判据并探究了初始相干性的影响。
2011-06-29 cond-mat.stat-mech physics.chem-ph quant-ph
Practical Witness for Electronic Coherences
光合复合物二维光谱中相干性的起源仍有争议。最近已经表明，在超短脉冲极限下，频率积分泵浦-探测信号中的振荡仅对应于电子相干，因此这样的实验可以用于形成对这样的系统中的电子振荡与振动振荡的测试。在这里，我们演示了一种方法，实际上实现这样的测试，从而泵探测信号在几个不同的脉冲持续时间，并用于外推到超短脉冲的限制。我们提出的分析和数值计算结果确定脉冲持续时间的要求和脉冲中心频率的最佳选择，这可以确定从吸收光谱。我们的研究结果表明，对于许多系统所需的实验可以实现许多超快光谱实验室使用脉冲的持续时间为几十飞秒。这样的实验可以解决关于光合复合体中凝聚力性质的长期争论。
2014-08-13 physics.chem-ph quant-ph
On the Equivalence of Quantum and Classical Coherence in Electronic Energy Transfer
为了研究量子相干性对电子能量转移的影响，这是光合作用中当前感兴趣的主题，我们解决了最简单的模型的传输问题，通过偶极-偶极相互作用的单体的聚集使用量子和经典动力学。我们的结论是，对于现实的耦合强度量子和经典相干传输是相同的。这是证明了数值计算的线性链和光合芬娜马修斯奥尔森（FMO）复杂
2011-04-12 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Enhancement of Vibronic and Ground-State Vibrational Coherences in 2D Spectra of Photosynthetic Complexes
应用振动激子模型来研究由于电子和核自由度的混合而增强相干振荡的机制，最近提出该机制是FMO络合物的2D光谱中的长寿命振荡的起源[Christensson et al. J. Phys. Chem. B 116（2012）7449]。我们减少了一个模型BChl二聚体的问题，以阐明共振耦合，网站能量，核模式和能量无序的振动激子和基态振动相干增强的作用，并确定制度，这种增强是显着的。对于一个异二聚体代表的两个耦合BChls 3和4的FMO复合物，振动激子和振动相干的初始振幅分别增强了高达15和5倍，相比，在孤立的单体中的振动相干。当电子能隙和振动模式的频率之间存在共振时，出现这种最大初始振幅增强。对于这两种机制，这种增强的带宽约为100 cm-1。电子和振动自由度的激子混合导致相对于振动相干性的额外退相。我们通过求解马尔可夫近似下的量子主方程来评估退相动力学，并观察到模式频率对寿命增强的强烈依赖性。长寿命的电子振动激子相干被发现仅当模式的频率是在附近的电子共振产生。虽然与基态振动相干态相比，振动激子相干态具有更大的初始振幅，但我们得出结论，对于本模型，这两种类型在长时间内具有相似的振幅。讨论了在分子聚集体的一般情况下区分电子振动激子和基态振动相干的能力。
2012-11-19 physics.chem-ph quant-ph
Prominent Signatures of Energy Transfer in Action-Detected Spectra of a Cyanobacterial Photosynthetic Protein
Indian Institute of Science（印度科学学院）；Lund University（隆德大学）；University of Groningen（格罗宁根大学）
研究通过作用检测技术揭示了蓝藻光合蛋白中能量转移动态，挑战了传统观点，表明慢湮灭效应改变了1/N限制，证明作用检测适合探测弱耦合系统的激子扩散。
2026-04-28 physics.chem-ph
A Theoretical Investigation Into Energy Transfer In Photosynthetic Open Quantum Systems
本论文研究了Fenna-Matthews-Olson复合体中的电子能量转移，在二维红外实验中观察到了长寿命相干性的证据。我使用三种技术：数值精确的运动方程，以及微扰的Redfield和Foerster理论，后者忽略了转移中的量子相干性。这两种近似方法都表现得非常好-虽然在网站人口的振荡（一致性的标志）存在于确切的传输动力学和缺乏的动态福斯特理论，后者给出了一个合理的预测传输速率和稳态人口，尽管是不一致的-这表明一致性是不重要的动态传输。由于福斯特理论是非常便宜的运行和性能如此之好，然后我用它来计算静态无序的细菌叶绿素网站的能量和更结构化的光谱密度的影响。最终，发现复合物中的能量转移对其环境的变化非常鲁棒，这对其生物功能是有利的。
2015-03-11 physics.chem-ph
Origin of long-lived oscillations in 2D-spectra of a Quantum Vibronic Model: Electronic vs Vibrational coherence
我们表明，激子和振动运动的耦合在生物复合物可以提供机制来解释长寿命的振荡，已获得在非线性光谱信号的不同光合色素蛋白质复合物，我们讨论了激子与纯振动成分对这些振荡功能的贡献。考虑到二聚体模型耦合到一个结构化的谱密度，我们讨论了电子-声子动力学的基本方面，并通过分别分析不同的贡献的非线性信号，我们表明，对于现实的参数制度纯粹的电子相干性是相同的顺序作为纯粹的振动相干的电子基态。此外，我们展示了后者如何依赖于激子相互作用来体现。这些结果链接最近提出的微观，非平衡机制，以支持在环境温度下的长寿命的连贯性与实际的实验观察的振荡行为，使用2D光子回波技术，以证实电子和振动自由度的相互作用的光捕获聚集体的动态的根本重要性。
2013-09-02 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Local protein solvation drives direct down-conversion in phycobiliprotein PC645 via incoherent vibronic transport
在捕光复合物中控制激发能传输（EET）的机制仍然存在争议。在观察到PC 645的二维电子光谱中的长寿命拍频之后，已经提出了电子振动相干性，即由共振振动支持的颜料之间的激发态的离域，以实现从最高能量状态到最低能量颜料的直接下转换。在这里，我们反而表明，藻胆蛋白PC645的非相干的电子振动传输机制在发挥作用。我们使用从头算QM/MM核动力学量化单个颜料的溶剂化动力学。我们的原子光谱密度再现实验观察范围从吸收和荧光光谱的时间尺度和选择性的下转换瞬态吸收测量中观察到的。我们表明，胆色素溶剂化控制EET途径和直接下转换收益不连贯，增强了大重组能量和广泛的收集高频振动。因此，我们建议，工程局部溶剂化动力学是一个潜在的设计原则，纳米级控制EET。
2017-04-17 physics.chem-ph quant-ph
Distinguishing electronic and vibronic coherence in 2D spectra by their temperature dependence
叶绿素二维光谱的长寿命振荡是一个正在进行的辩论的核心。它们的物理起源是多色素效应，例如激子相干性，或者主要源于局部振动。在目前的工作中，我们分析了对角和交叉峰振荡之间测量的相对相位差的区别特性。虽然当峰值重叠时，两种情景之间的直接区别变得模糊，但它们对温度的敏感性提供了更有力的论据。我们发现，振动（电子振动）振荡改变相对相位与温度，而电子振荡只有微弱的依赖。这突出表明，相对相位差作为温度的函数的研究提供了一个明确的和容易获得的方法来区分振动和电子相干。
2013-11-13 physics.chem-ph
Probing the Role of the Eighth Bacteriochlorophyll in holo-FMO Complex by Simulated Two-Dimensional Electronic Spectroscopy
Fenna-Matthews-Olson（FMO）蛋白质色素复合物作为外天线系统和反应中心（RC）之间的分子导线，是研究激子能量传递的重要模型体系。最近的晶体学研究报告存在一个额外的（第八）细菌叶绿素a（BChl a）。为了理解这第八BChl的功能，我们模拟了来自绿硫细菌Prossthecochloris aestuarii的FMO复合物的7-位点（apo形式）和8-位点（holo形式）变体的二维电子光谱。通过比较光谱的差异，发现第八BChl可以影响两条不同的激子能量传递途径：（1）直接参与apo型模型的第一条途径6 $\rightarrow$ 3 $\rightarrow$ 1，将激子能量传递给激子6;以及（2）增加第二路径中激子4和5之间的激子波函数重叠（7 $\rightarrow$ 4，5 $\rightarrow$ 2 $\rightarrow$ 1），并因此增加了跨BChl的可能的向下采样路线。
2014-08-15 physics.bio-ph physics.chem-ph
On the theory of excitonic delocalization for robust vibronic dynamics in LH2
非线性光谱揭示了各种光合复合物的光学响应的长期振荡。不同的理论模型，其中涉及电子（激子）或电子振动（振动）自由度的相干耦合已被提出来解释这些意见。随后关于这一机制或另一机制的相关性的辩论可能掩盖了它们潜在的协同作用。为了说明这种协同作用，我们量化了如何激子离域在LH2单位的嗜酸红球藻紫色细菌，导致激子能量波动的相关性，相关的相干电子振动耦合，重要的是，减少激子的退相速率。结合这些影响，我们确定了一个可行的起源，从时间延迟的双脉冲单分子实验上进行的光合复合物的荧光跟踪观察到的持久振荡。
2018-03-15 physics.chem-ph q-bio.BM quant-ph
Excitation of Low-Frequency Modes and the Effects of Protein Dynamics on Spectral Densities of Bacteriochlorophyll Molecules
School of Science, Constructor University（康斯特鲁克特大学理学院）；Department of Physics and Astronomy and Thomas Young Centre, University College London（伦敦大学学院物理与天文系及托马斯·杨中心）
本文研究了低频模式的激发及蛋白质动态对细菌叶绿素分子谱密度的影响，通过BOMD方法准确恢复低频特征，揭示了蛋白质波动与色素分子自身振动对谱密度的贡献。
2026-04-28 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.chem-ph
Two-Dimensional Electronic Spectroscopy Using Incoherent Light: Theoretical Analysis
光合作用中的电子能量转移发生在一系列的时间尺度和各种分子间耦合条件下。最近的工作表明，发色团之间的电子耦合可以导致相干振荡的二维电子光谱测量的色素蛋白质复合物测量飞秒激光脉冲。在该领域的一个持久的问题是调和使用飞秒激光脉冲与生理照明条件下进行的测量的结果。噪声光谱学可以开始解决这个问题。在这项工作中，我们提出了非相干二维电子光谱，I（4）2D ES的理论分析。模拟揭示了对角峰，交叉峰，相干振荡类似于飞秒二维电子光谱实验中观察到的。这些结果也揭示了飞秒脉冲和噪声光技术之间的根本差异;这些差异带来了新的挑战和新的机遇。
2012-12-06 physics.chem-ph
How can the green sulfur bacteria use quantum computing for light harvesting?
即使在生理温度下，也观察到光合色素-蛋白质复合物的持久相干性。实验也证明了D-Wave量子计算机在长时间运行中的量子相干行为。量子相干性是这两种现象的共同特征。在量子计算机中，单个通量量子比特的相干时间与千个通量量子比特的阵列的长时间量子行为之间的八个数量级的差异被提出在理论中的解释，其中通量量子比特耦合到称为高态密度的引力子的粒子环境中。相干演化是在高维时空中，并且可以被理解为薛定谔时间的解。相关方程在绿硫细菌中Fenna-Matthews-Olson（FMO）蛋白复合物的二维傅里叶变换电子光谱中观察到的量子拍频的解释目前正在寻求构建基于量子主方程的传输理论，其中叶绿素和周围蛋白质支架中的“良好”分子振动（“有色噪声”）将激子振荡敲回相干。据说这些“好”的振动是在30亿年的自然选择中发展起来的。然而，这些理论面临着令人不安的实验观察，即“试图扰乱振动模式或用同位素取代来改变共振，但不幸的是，未能影响拍频信号”。作为一个可能的出路，我们采用了量子计算的形式化的FMO蛋白质复合物中的量子拍。
2016-05-11 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Characterization and quantification of the role of coherence in ultrafast quantum biological experiments using quantum master equations, atomistic simulations, and quantum process tomography
低温和室温下各种光合复合物中的长寿命电子相干性在理论和实验上都产生了积极的努力，以了解它们的起源并探索它们对生物功能的潜在作用。从实验中得到的超快信号显示了这些相干性的证据，这些相干性来自于对分子极化的许多贡献。量子过程层析成像（QPT）是在量子信息处理的背景下构思的，以表征和理解可控量子系统的一般量子演化，例如在执行量子计算任务时。我们介绍我们的QPT方法的超快实验，并作为一个说明性的例子，将其应用到一个两个生色团子系统的Fenna-Matthews-Olson光合复合物，这是最近被证明具有长寿命的量子相干性的模拟。我们的Fenna-Matthews-Olson模型是使用原子论方法来提取相关参数，用于模拟光合复合物，该方法包括量子力学/分子力学方法结合分子动力学和使用最先进的量子主方程。我们提供了一套方法，允许量化的作用，量子相干性，退相，弛豫和其他基本过程中的能量转移效率在光合复合物，从原子模拟获得的信息的基础上，或使用QPT，直接从实验。结合这套不同的方法的最终目标是提供一种可靠的方法来量化长寿命量子相干性的作用，并获得其原因的原子论见解。
2010-12-15 physics.chem-ph quant-ph
Calculations of coherent two-dimensional electronic spectra using forward and backward stochastic wavefunctions
本文在已有的光学响应函数理论基础上，提出了一种新的方法，其核心思想是分段求解前后向随机薛定谔方程，从而精确地获得二维电子光谱。基于简单的激子耦合二聚体模型系统，详细论证了所提出方案的有效性和效率，并与确定性的运动方程和微扰的二阶无时间卷积量子主方程进行了比较.此外，本文还指出，过阻尼环境的特征频率是影响二维电子光谱中振荡信号寿命和系统动力学量子相干性特征的一个极其重要的因素。值得注意的是，所提出的方案受益于其随机性和波函数框架和许多其他优点，大大减少了数值成本，有很大的潜力，系统地研究各种量子效应在现实的大规模自然和人工光合系统中观察到的。
2018-08-07 physics.chem-ph
Population and Coherence Dynamics in Light Harvesting Complex II (LH2)
从理论上研究了生理温度和低温条件下紫色细菌光合捕光复合物2（LH 2）B850环的电子激发布居和相干动力学。类似于Fenna-Matthews-Olson（FMO）蛋白，在LH 2中观察到的激发人口和一致性的振荡，通过使用一个缩放的分层运动方程（HEOM）的方法。然而，该振荡时间（300 fs）比FMO蛋白在低温下的振荡时间（650 fs）短得多。环境和高温都能提高激子波包的传播速度，但却缩短了相干时间，抑制了相干振幅和布居数。我们的计算表明，在这样一个嘈杂的生物环境中，发色团电子激发态之间可以存在一个长寿命的相干性。
2012-08-28 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Rapid Evolution of the Photosystem II Electronic Structure during Water Splitting
光合水氧化是维持生物圈的基本过程。嵌入在光系统II蛋白环境中的Mn $_{4}$ Ca簇负责大气氧的产生。在这里，时间分辨X射线发射光谱（XES）被用来实时观察氧的形成过程。这些实验表明，氧的析出步骤，由三个连续的激光闪光，伴随着快速（50 $μ$ s内）的变化，锰K $β$ XES光谱。然而，没有氧化的Mn $_{4}$ Ca核心以上的所有Mn $^{\text{IV}}$状态被检测到之前O-O键的形成。提出了一种新的机制来解释光谱结果，该机制以S $_{3}$态中形成Mn $^{\text{IV}}$ = O为特征。该化学配方与S $_{3}$状态的独特反应性一致，并解释了以下S $_{3}$到S $_{0}$转变的促进作用，部分解决了与O-O键形成相关的动力学限制。在所提出的机制中，O-O键的形成先于最终（4 $^{\text{th}}$）电子从Mn $_{4}$ Ca团簇的转移，与实验一致。
2015-06-29 physics.bio-ph physics.chem-ph
Full Microscopic Simulations Uncover Persistent Quantum Effects in Primary Photosynthesis
通过首个非微扰精确微观模拟，证明Fenna-Matthews-Olson复合物在77K和室温下存在持续皮秒的激子相干性，并强调全微观模拟对识别量子效应证据的关键性。
2025-03-21 physics.chem-ph quant-ph
