Entropy Considerations in Spin-Selective Radical-Ion-Pair Reactions
自由基-离子对反应最近被证明表现出许多非平凡的量子效应，这些量子效应由量子测量理论解释。最近，一种旨在描述自旋选择性自由基-离子对反应的基本量子动力学的替代方法被引入，从而产生了三种相互竞争的理论，包括传统上用于自旋化学的理论。我们在这里考虑熵作为一个基本概念，使这些理论的预测与物理上可以接受的相当普遍的理由进行比较。
2010-11-09 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Quantum sensing and control of spin state dynamics in the radical pair mechanism
自由基对和它们所经历的动力学在许多化学和生物系统中是普遍存在的。具体地说，有人提出，自由基对机制的结果从一个相对较强的超精细相互作用与其内在的核自旋环境。虽然这种机制的存在是无可争议的，但纳米级的细节仍有待实验证明。我们在这里分析的作用，量子传感器在检测自旋动力学（非马尔可夫）的个别自由基对在弱磁场的存在下。我们展示了如何量子控制方法可以用来设置除了自由基对机制在不同阶段的演变动力学。我们设想这些发现具有深远的影响，在磁感受和其他生物化学过程的微观细节的物理机制的理解。
2020-07-30 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Lamb shift in radical-ion pairs produces a singlet-triplet energy splitting in photosynthetic reaction centers
自由基离子对是理解光合作用和鸟类磁罗盘的基础，最近被证明是生物开放量子系统。我们在这里表明，耦合的自由度的自由基对它的消肩振动水库导致移动的自由基对的磁能级。兰姆位移哈密顿量在单重态-三重态基础上是对角的，并且导致单重态-三重态能量分裂在物理上与交换相互作用不可区分。这可能对理解光合作用反应中心的能级结构和动力学具有重要意义。
2014-09-28 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Radical-ion-pair reactions are the biochemical equivalent of the optical double slit experiment
自由基离子对反应最近被证明是应用量子测量理论方法和概念的丰富的生物物理实验室。我们在这里表明，自由基离子对反应基本上形成一个非线性的生化双缝干涉仪。当“哪条路径”信息有限时，量子相干性效应是可见的，当测量诱导退相干开始时，量子相干性接近非相干极限。基于这种类比与光学双缝实验，我们推导并阐述了自旋选择性自由基离子对反应的基本主方程，该方程涵盖了从完全不相干到最大单重态-三重态相干的连续范围。
2011-05-24 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Sensing of magnetic field effects in radical-pair reactions using a quantum sensor
磁场效应（MFE）在某些化学反应中已经在过去的五十年中得到了很好的证实，并且归因于瞬态自由基对的演化，其自旋动力学由局部和外部磁场决定。大多数现有的实验技术用于探测这些反应只提供系综平均的反应参数和自旋化学，阻碍了在单分子尺度上观察量子相干现象的潜在存在。在这里，考虑到一个单一的氮空位（NV）中心作为量子传感器，我们调查的前景和要求的检测自由基对自旋动力学在单个和小的分子系综。我们采用详细和现实的模型的根对，考虑到其耦合到本地自旋环境和传感器。对于两个模型系统，我们得到的信号MFE检测，即使在弱耦合制度之间的自由基对和NV量子传感器，并观察到某些人口的动态，以及相干元素，的密度矩阵的自由基对是直接可检测的。我们的研究将提供重要的指导方针，潜在的检测自旋化学的生物分子在单分子尺度上，需要见证假设的重要性，量子相干性在生物过程中。
2022-09-28 physics.chem-ph quant-ph
On the non-linearity of the master equation describing spin-selective radical-ion-pair reactions
我们阐述了最近推导出的非线性主方程的物理意义，以考虑自旋选择性自由基离子对反应。基于相当一般的参数，我们表明，这样一个非线性主方程确实是可以预期的。
2011-05-24 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Retrodictive derivation of the radical-ion-pair master equation and Monte-Carlo simulation with single-molecule quantum trajectories
自由基离子对反应，在光合作用和鸟类的磁罗盘机制的中心，最近被证明是一个范例系统，应用量子信息科学在生物化学设置。描述自由基离子对反应的基本量子主方程仍在争论中。在这里，我们使用量子追溯来产生在Phys. Rev. E { \bf 83}，056118（2011）中提出的理论的严格改进。我们还提供了一个严格的分析所需的单重态-三重态的相干性的措施，以获得自由基对主方程。单分子量子轨道的蒙特卡罗模拟支持我们的方法的自洽性。
2014-10-24 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Time evolution of spin state of radical ion pair in microwave field: An analytical solution
本文给出了考虑Zeeman和超精细相互作用以及自旋弛豫的静磁场和共振微波场中自由基离子对自旋演化问题的精确解。分析了提供四种可能的解决方案之一的参数值。结果表明，在没有自旋弛豫的情况下，除了零场不变量外，还可以找到共振微波场的一个大振幅不变量，这两个不变量为简单计算微波脉冲控制自由基对的量子态提供了可能.弛豫对不变量的影响进行了分析，结果表明，在高场不变量的变化引起的相位弛豫。
2006-02-02 physics.chem-ph quant-ph
The Radical Pair Mechanism Cannot Explain Telecommunication Frequency Effects on Reactive Oxygen Species
通过建模分析自由基对机制在电信频率低振幅磁场下的响应，证明其效应可忽略且所需超精细耦合常数远超生物系统自然范围，从而排除该机制并指出需另寻解释。
2024-06-23 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Spin relaxation in radical pairs from the stochastic Schrödinger equation
我们发现随机薛定谔方程（SSE）提供了一种理想的方法来模拟自由基对的量子力学自旋动力学。电子自旋弛豫效应所产生的自旋哈密顿量的波动是直接包括在这种方法中，他们的治疗可以结合一个高效的随机评估的痕迹在核自旋状态，这是需要计算实验观测。这些功能说明在示例应用程序中的一个黄素-色氨酸自由基对感兴趣的鸟类magnetoreception，和涉及自旋选择性自由基对重组沿分子线的问题。在这些例子中的第一个，SSE被证明是更有效的和更广泛的适用于比最近的随机实施的林德布拉德方程，它只提供了一个有效的治疗放松在极端狭窄的限制。在第二，确切的SSE结果被用来评估最近提出的组合Nakajima-Zwanzig理论的自旋弛豫和Schulten-Wolynes理论的自旋动力学，这是适用于更多的核自旋的自由基对的准确性。附录中详细分析了跟踪采样的效率，突出了SU（N）相干态采样的特殊优势。
2021-02-26 physics.chem-ph quant-ph
Engineering the uncontrollable: Steering noisy spin-correlated radical-pairs with coherent and incoherent control
University of Exeter（埃克塞特大学）；The Ohio State University（俄亥俄州立大学）
本文通过PMP最优控制方法，实现了对噪声自由基对相干与非相干自旋动力学的操控，展示了在噪声环境下鲁棒性的优势。
2025-10-06 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Magnetoreception in cryptochrome enabled by one-dimensional radical motion
一个流行的假设归因于磁感应的重组反应的一对自由基的蛋白质隐色素。该模型的许多理论研究都忽略了自由基间的相互作用，特别是电子-电子偶极耦合（EED），这对磁敏性有不利影响。在这里，我们着手阐明，如果允许进行内部运动的自由基对可以产生增强的磁敏感性。我们的模型考虑了一个自由基合作伙伴沿一维反应坐标的扩散运动的影响。这种动力学原理上可以通过移动自由基通过蛋白质通道的实际扩散来实现，或者通过受到蛋白质结构重排和波动的结合自由基对来实现。我们表明，EED相互作用的抑制作用，可以减轻在这些情况下，由于量子芝诺效应和间歇性减少的EED耦合在自由基的扩散游览。我们的研究结果突出了与自由基对和随后的磁感度下的强EED耦合，在那里它以前没有被预期的动态环境的重要性，并证明了一个三重态出生的自由基对可以开发优越的灵敏度超过一个单线态出生的。
2023-03-20 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Comment on "The Jones-Hore theory of radical-ion-pair reactions is not self-consistent" (arXiv:1010.3888v3)
对“自由基离子对反应的Jones-Hore理论不是自洽的”（arXiv：1010.3888v3）提出了一个简短的评论。在评论中，它指出，该文件包括一个误解琼斯霍尔的方法在化学。488（2010）90-93。给出了重新表述的结果，并证明了Jones-Hore理论至少在I. K.报纸上的柯米尼斯。
2011-03-08 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Quantum relative entropy shows singlet-triplet coherence is a resource in the radical-pair mechanism of biological magnetic sensing
与生物磁场传感相关的自由基对反应是量子生物学范式的一个理想系统，量子生物学范式是探索复杂生物系统中的量子相干效应。我们在这里提供了这个生物化学自旋系统和量子信息科学之间的另一个基本联系。我们引入并探索了一种形式化的测量方法，利用量子相对熵的概念来量化单重态-三重态的相干性。量化单重态-三重态相干性的能力在利用自由基对的磁传感研究中开辟了许多可能性。我们首先使用单重态-三重态相干性的明确量化来肯定地解决量子生物学的大前提，即量子相干性为磁感受提供了操作优势。其次，我们利用非相干操作的概念，说明了当自由基对表现出电子-核纠缠时，核自旋的非相干操作会对单重态-三重态相干性产生可怕的影响。最后，我们揭示了与交换相互作用相关的微妙效应及其在促进量子相干性中的作用。
2020-05-07 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Correlated memory effect of environment in radical-pair magnetoreception
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；State Key Laboratory of Precision and Intelligent Chemistry（精密与智能化学国家重点实验室）；Hefei National Research Center for Physical Sciences at the Microscale（合肥微尺度物质科学国家研究中心）
本研究通过非马尔可夫HEOM/DEOM方法同时处理自旋与玻色子环境，揭示自旋浴关联记忆效应对自由基对磁感知产率的关键作用。
2026-10-05 physics.chem-ph quant-ph
The radical-pair mechanism as a paradigm for the emerging science of quantum biology
自由基对机制是在20世纪60年代引入的，用于解释有机分子化学反应中巨大的EPR和NMR信号。它已经发展成为自旋化学的基石，研究电子和核自旋对化学反应的影响，鸟类磁罗盘机制和光合反应中心动力学是这种影响的突出生物物理表现。近年来，自由基对机制被证明是一个理想的生物系统，量子信息科学的概念工具可以卓有成效地应用。我们将在这里回顾最近的工作，证明自由基对机制确实是量子生物学新兴领域的主要驱动力。
2016-01-01 physics.atom-ph physics.bio-ph physics.chem-ph
A fluorescence microscopy platform for time-resolved studies of spin-correlated radical pairs in biological systems
针对生物系统中非发射性自由基对动力学难以直接观测的问题，本文提出单色泵浦-探测和泵浦-场-探测两种荧光显微镜技术，通过理论分析和黄素类反应实验验证，实现了量子自旋动力学的量化与可视化。
2025-10-07 physics.bio-ph physics.chem-ph physics.ins-det
Quantum Measurement Theory Explains the Deuteration Effect in Radical-Ion-Pair Reactions
最近的研究表明，自由基-离子对及其反应是一个典型的生物系统，表现出非平凡的量子效应，迄今为止由于迄今为止使用的自由基-离子对反应的唯象描述而不可见。在这里，我们使用描述磁敏感自由基离子对反应的量子力学一致性主方程来解释实验数据[C。R. Timmel和K. B.亨贝斯特菲尔横河长索克A { \bf 362}，2573（2004）; C. T. Rodgers，S. A. Norman，K. B.亨贝斯特角R. Timmel和P. J. Hore，J. Am. Soc. { \bf 129} 6746（2007）]中关于氘化对反应产率的影响的描述。氘化后自由基离子对反应的异常行为，即与迄今为止使用的唯象理论的预测不一致的数据，自70年代以来一直被观察到，直到现在仍然无法解释。
2009-06-29 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Hypomagnetic field effects as a potential avenue for testing the radical pair mechanism in biology
近零磁场，称为亚磁场，已知会影响生物现象，包括发育过程，昼夜节律系统，神经元和大脑活动，DNA甲基化，细胞中的钙平衡等等。然而，这种效应背后的确切机制仍然是难以捉摸的，因为相应的能量远小于热能。已知涉及自由基对的化学反应在与地磁场相当或小于地磁场的非常低的强度下可以是磁场依赖的。本文从自由基对机制的角度对亚磁场效应进行了详细的综述，指出在一定条件下，亚磁场效应可以与增大磁场的效应相当甚至更强。我们认为，亚磁场效应是一个有趣的途径，在生物学中测试的自由基对机制。
2023-01-12 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.NC
Radical pair intersystem crossing: Quantum dynamics or incoherent kinetics?
磁场对自由基对反应的影响是由于相干电子自旋动力学和自旋弛豫效应的相互作用而产生的，对其的严格处理需要Liouville-von Neumann方程的解。然而，人们经常发现，简单的非相干动力学模型的自由基对单重态-三重态系间交叉提供了一个可接受的描述实验测量。在本文中，我们概述了这种非相干动力学描述的理论基础，阐明了它与精确量子力学的联系。我们特别展示了自由基对自旋态的有限寿命，以及任何额外的自旋态退相，导致非相干的系间交叉。我们得到了自由基对自旋态相互转换率的简单表达式，Steiner等人最近提出的函数形式[J. Phys. Chem. C 122，11701（2018）]可以被视为近似值。我们还测试了动力学主方程对精确的量子动力学模拟的模型自由基对和一系列的$\text{PTZ}^{\bullet+}\text{-Ph}_\text{n}\text{-PDI}^{\bullet-}$分子线。
2019-04-18 physics.chem-ph
Floquet theory of radical pairs in radiofrequency magnetic fields
提出了一种计算含时弱磁场作用下自由基对复合反应产物产额的新方法。这种方法成功地规避了计算困难所提出的一个长寿命的自由基对包含许多超精细耦合核自旋的Liouville-von Neumann方程的直接解决方案。使用修改后的Floquet理论的制定，治疗的时间依赖的磁场作为一个扰动，并利用缓慢的自由基对重组，我们表明，可以得到一个很好的近似的产品产量只考虑近退化子空间的Floquet空间。在一个显着的参数范围内，所得到的方法被发现给产品的产率与精确的量子力学结果的各种简单的模型自由基对。此外，它比精确计算更有效，并且可以应用于包含更多核自旋的自由基对。这有望打开大门，现实的理论研究的影响，射频电磁辐射的光化学诱导的自由基对重组反应在鸟类视网膜被认为是负责的磁罗盘意义的候鸟。
2016-10-03 physics.chem-ph
Spin multiplicity and entanglement swapping in radical ion recombinations
我们解决的问题，在一个多粒子系统，其中包括自旋相关的自由基离子对的单重态和三重态重组的相对频率。考虑了交叉重组引起的自旋相关的非定域交换。结果表明，这种交换不有助于单重态和三重态的重组频率在相关对的自旋演化的情况下。
2009-03-03 physics.chem-ph quant-ph
Entanglement and Sources of Magnetic Anisotropy in Radical Pair-Based Avian Magnetoreceptors
候鸟磁感应的主要模型之一是依赖于眼睛隐花色素蛋白中光化学产生的瞬态自由基对的量子自旋动力学。我们认为在这里的作用，电子自旋纠缠和相干性，在确定的灵敏度，一个激进的对基于地磁罗盘和起源的方向响应。它出现的各向异性的自由基对形成的自旋极化的分子三重态可以形成一个更敏感的罗盘传感器比一个建立在传统的超精细各向异性模型的基础。这一特性为设计生物灵感的磁罗盘传感器提供了新的和更灵活的机会。
2012-06-26 physics.bio-ph physics.chem-ph
Recombination of Geminate (OH,eaq-) Pairs in Concentrated Alkaline Solutions: Lack of Evidence For Hydroxyl Radical Deprotonation
在200 nm的光解氢氧化物水溶液和400 nm（3光子）电离的水在浓碱性溶液中产生的水合电子和羟基自由基的皮秒动力学。在亚纳秒时间尺度上没有观察到羟基自由基的去质子化，即使在1-10 M KOH溶液中也是如此。这一结果与稀碱溶液中OH自由基去质子化的动力学数据完全不一致。我们认为，在浓碱性溶液中，羟基自由基的去质子化反应大大减慢。
2004-01-12 physics.chem-ph
Magnetic field effects in biology from the perspective of the radical pair mechanism
越来越多的研究表明，弱磁场可以显著影响各种生物系统，包括植物、动物和人类。然而，这些现象背后的基本机制仍然难以捉摸。值得注意的是，这些效应所涉及的磁能比热能小得多。在这里，我们回顾这些意见，其中现在有数百个，我们认为，一个可行的解释是由自由基对机制，其中涉及的量子动力学的电子和核自旋的自然发生的瞬态自由基分子。虽然自由基对机制已被详细研究的背景下，鸟类磁感受，这里回顾的研究表明，磁敏感性是广泛的整个生物学。我们回顾了磁场对各种生理功能的影响，并根据所施加的磁场的类型（即静态、弱磁和振荡磁场）以及同位素效应对这些功能进行了组织。然后，我们审查的自由基对机制作为一个潜在的统一模型所描述的磁场的影响，我们讨论了可能构成的自由基对的可能的候选分子。我们回顾了最近的研究提出，自由基对的量子性质提供了有希望的解释氙麻醉，锂对多动症的影响，磁场和锂对生物钟的影响，以及亚磁场对神经发生和微管组装的影响。最后，我们讨论了未来的调查线在这个令人兴奋的新领域的量子生物学有关的弱磁场效应。
2022-04-19 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.NC
Spin-selective electron transfer reactions of radical pairs: beyond the Haberkorn master equation
自由基对复合反应通常使用电子和核自旋密度算符的量子力学主方程来描述。电子自旋态选择性（单重态和三重态）的复合过程中描述与哈伯科恩反应项在这个主方程。本文考虑自由基对的一般自旋态选择性电子转移反应，利用Nakajima-Zwanzig理论导出自旋密度算符的主方程，从而阐明非绝热反应速率理论与Haberkorn反应项之间的关系。二阶微扰理论处理的非绝热耦合自然的结果在Haberkorn主方程与一个额外的反应标量电子自旋耦合项。这一项在以前的自旋化学计算中被忽略了，但我们表明它往往是相当重要的。我们还表明，超过二阶微扰理论，即，在费米黄金法则极限之外，在主方程中出现了额外的反应性单重态-三重态退相项。给出了反应性标量电子自旋耦合的闭合形式表达式，该表达式由决定单重态和三重态复合率的Marcus理论参数决定。通过用精确的分级运动方程（HEOM）方法模拟自由基对反应，我们证明了我们的主方程提供了一个非常准确的描述自由基对进行自旋选择性非绝热电子转移反应。反应性电子自旋耦合的存在可能会影响生物相关的自由基对反应，如那些已被建议发挥作用，在鸟类磁感受。
2018-08-09 physics.chem-ph
Electron spin relaxation in radical pairs: Beyond the Redfield approximation
弛豫过程对自由基对的自旋选择性电子转移反应有很大的影响。这些过程通常使用唯象弛豫超算子或布洛赫-雷德菲尔德-旺斯内斯理论中的微观弛豫机制模型来处理。在这里，我们证明了另一种微扰松弛理论，基于Nakajima-Zwanzig方程，具有一定的优势，Redfield理论。特别地，Nakajima-Zwanzig方程在静态无序极限下不存在Redfield理论的严重正性问题。将Nakajima-Zwanzig方法与Schulten-Wolynes半经典方法相结合，得到了一种有效的方法来模拟含有多个超精细耦合核自旋的自由基对的自旋动力学.然后，这是用来研究自旋相关的电子转移反应和系统间的交叉的二甲基久洛尼啶萘二酰亚胺（DMJ-NDI）自由基离子对。通过将我们的模拟与实验数据进行比较，我们发现了这些反应的三重态量子产率的场独立贡献的证据，这些反应不能单独用电子自旋弛豫来解释。
2019-10-22 physics.chem-ph
Radical Pair Model for Magnetic Field Effects on NMDA Receptor Activity
针对磁场影响NMDA受体活性的现象，提出基于量子力学自由基对机制的解释模型，通过计算特定自由基对单态分数产率随磁场强度的变化，验证该机制能解释受体活性变化及同位素效应，为大脑磁场效应提供合理解释。
2023-10-26 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
Introduction to modelling radical pair quantum spin dynamics with tensor networks
本文提出利用张量网络方法模拟自由基量子自旋动力学，以准确捕捉各向异性自旋动力学及核环境影响，为自旋生物学和磁感受机制提供新见解。
2025-11-27 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
On the low magnetic field effect in radical pair reactions
已知自由基对复合反应对施加低和高磁场都敏感。弱磁场的施加降低了单重态生自由基对的单重态产率，而强磁场的施加增加了单重态产率。高场效应源于能量守恒：当磁场强于两个自由基中的超精细场之和时，${\rm S}\to {\rm T}_{\pm}$跃迁在能量上被禁止，从而减少了单线态到三线态互变的路径数量。低场效应源于对称性破缺：弱磁场的应用提升了零场本征态之间的简并，并增加了单线态到三线态互变的路径数量。然而，这种效应的细节更微妙，以前没有得到适当的解释。在这里，我们提出了一个完整的分析，在一个自由基对包含一个质子的低场效应，并在自由基对，其中一个自由基包含大量的超精细耦合核自旋。我们发现，在这两种情况下，当场被打开时发生的新的跃迁都在${\rm S}$和${\rm T}_0$之间，而不是如先前所声称的那样在${\rm S}$和${\rm T}_{\pm}$之间。然后，我们说明了这一结果，使用它结合半经典自旋动力学模拟占观察到的双相-三相-双相过渡与增加磁场强度的磁场效应的光激发类胡萝卜素-卟啉-富勒烯自由基对随时间变化的生存概率。
2018-07-17 physics.chem-ph
Quantum theory of a potential biological magnetic field sensor: radical pair mechanism in flavin adenine dinucleotide biradicals
本研究针对FAD可能作为生物磁场传感器的现象，建立其双自由基自由基对机制的量子理论模型，结合分子动力学模拟与量子主方程，可预测全磁场范围的瞬态吸收信号，结果与实验相符。
2024-06-18 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Quantum Information Processing in the Radical-Pair Mechanism: Haberkorn theory violates the Ozawa entropy bound
自由基离子对反应是理解鸟类磁罗盘和光合反应中心自旋传输的核心，最近被证明是量子信息科学与生物过程新合成的一个富有成效的范例。我们在这里表明，迄今为止构成自旋化学理论基础的主方程违反了量子系统熵的基本界限，特别是小泽界限。与此相反，最近发展的理论的基础上，量子测量，量子相干性措施，和量子追溯，从而举例说明量子生物学的范式，满足小泽界以及兰福德-罗宾逊界的信息提取。通过考虑Groenewold信息，即反应过程中提取的量子信息，我们重现了已知的磁场效应，并解开了反应产率未传达的其他磁场效应。
2017-02-23 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Asymmetric recombination and electron spin relaxation in the semiclassical theory of radical pair reactions
本文描述了我们两人最近提出的自由基对复合反应的半经典理论[D。E. Manolopoulos和P. J. Hore，J.Chem.Phys.139，124106（2013）]可以一般化以允许不同的单线态和三线态重组速率。这是一个非平凡的概括，因为当复合速率不同时，复合过程动态地耦合到自由基对的相干电子自旋动力学。此外，由于复合算符是一个双电子算符，仅仅把两个电子看作经典矢量是不够的：必须把16个双电子自旋算符的完整集合看作独立的经典变量。由此产生的半经典理论的第一次验证了一个模型自由基对包含12个核自旋的精确量子力学结果的比较。然后，它被用来阐明含有相当多的核自旋的类胡萝卜素-卟啉-富勒烯（CPF）三元组的自旋动力学，该三元组最近被用来建立化学罗盘操作的“原理证明”[K. Maeda等人，Nature 453，387（2008）]。我们发现，特别是有趣的两相行为，已观察到的地球强度的磁场的光激发的C+PF-自由基对随时间变化的生存概率的影响，从它的不对称重组和放松类胡萝卜素自由基的电子自旋之间的微妙平衡。
2014-07-08 physics.chem-ph
An efficient quantum mechanical method for radical pair recombination reactions
自由基对复合反应的单线态和三线态存活概率和产物产率的标准量子力学表达式涉及电子和核自旋组合希尔伯特空间中的状态的迹线。如果通过对希尔伯特空间中的每个初始状态执行单独的时间相关波包计算来确定性地评估该迹线，则计算工作量缩放为$O(Z^2\log Z)$，其中$Z$是核自旋状态的总数。在这里，我们表明，跟踪也可以随机评估，利用自旋相干态的属性。这导致计算工作量为$O(MZ\log Z)$，其中$M$是收敛所需的Monte Carlo样本数。对具有$Z>10^6$的强耦合自由基对的示例计算表明，仅使用$M=200$样品就可以将单线态产率收敛到图形精度，从而导致速度比标准确定性计算快$>5000$倍。我们希望这个因素将大大促进未来的量子力学模拟的各种各样的自由基对的兴趣在化学和生物学。
2016-12-30 physics.chem-ph
Multi-Radical Lipkin-Meshkov-Glick Model for Avian Navigation
鸟类的导航机制是全球科学家关注的重要问题。最著名的候选者之一是自由基对机制（RPM），它表明鸟类导航是通过检测化学反应产物的量来实现的，这些反应对单重态和三重态自旋态表现出不同的性质。在此理论基础上，我们通过改变磁场的耦合强度和方向，探讨了单重态复合产物的数量。我们的模型中的自由基对与Lipkin-Meshkov-Glick（LMG）浴耦合，在量子相变（QPT）点得到了有吸引力的结果，特别是当磁场与自由基对的初始方向平行时.根据本文提出的一种方法，我们找到了导航能力最弱的QPT点。当磁场垂直于自由基对和浴槽所在的平面时，我们在哈密顿量中找到了不变子空间，这将大大加快我们的计算速度。研究结果有助于探索人工鸟导航的设计原理。
2022-03-01 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
Enantioselective radical reactions can be induced by electron spin polarization: A quantum mechanism for Nature's emergent homochirality?
本文提出自由基对中电子自旋极化可诱导对映选择性反应的量子机制，基于CISS理论给出定量解释，为自然界同手性起源提供新思路并建议自旋极化电子用于不对称合成。
2025-08-06 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Efficient implementation of the single-reference algebraic diagrammatic construction theory for charged excitations: Applications to the TEMPO radical and DNA base pairs
我们提出了一个有效的实现的二阶和三阶单参考代数图解构造理论的电子附着（EA）和电离（IP）的能量和光谱（EA/IP-ADC（n），n = 2，3）。我们新的EA/IP-ADC程序具有闭壳层系统的自旋自适应，有效处理双电子积分张量的密度拟合，以及张量收缩的矢量化和并行实现。我们证明了我们的有效实现的能力，通过应用EA/IP-ADC（n）（n = 2，3）方法来计算TEMPO自由基的光电子能谱，以及TEMPO和两个DNA碱基对（鸟嘌呤-胞嘧啶和腺嘌呤-胸腺嘧啶）的垂直和绝热电子亲和力。的光谱和电子亲和力计算使用大的扩散基组与高达1028分子轨道被发现是在一个很好的协议，从实验和理论模拟的最佳结果。
2021-01-17 physics.chem-ph
An improved semiclassical theory of radical pair recombination reactions
我们提出了一个实用的半经典方法来计算电子自旋动力学的自由基，其中电子自旋是超精细耦合到大量的核自旋。这可用于计算在磁场存在下自由基复合反应的单重态和三重态存活概率和量子产率。我们的方法不同于Schulten和Wolynes早期的半经典理论[J. Chem. Phys. 68，3292（1978）]，它允许每个单独的核自旋围绕电子自旋进动，而不是假设核自旋矢量的超精细耦合加权和在空间中是固定的。去除这个假设的缺点是，人们不能再获得电子自旋相关张量的简单封闭形式的表达式：我们的方法需要数值计算。然而，计算工作量仅随核自旋的数量线性增加，而不是像精确的量子力学计算那样呈指数增长。因此，该方法适用于任意大的自由基。此外，由于复杂系统中快速的量子退相干，随着核自旋数的增加和电子自旋环境的复杂化，它与量子力学在定量上接近一致。与Schulten-Wolynes理论不同，本半经典理论预测了电子自旋相关张量的正确的长时间行为，因此它正确地捕获了低磁场效应在具有缓慢复合速率的自由基复合反应的单重态产率。
2014-07-08 physics.chem-ph
Benzene radical anion in the context of the Birch reduction: when solvation is the key
苯自由基阴离子是液氨中溶剂化电子还原苯的重要中间体。除了有机化学之外，由于其丰富的结构和动力学行为，它是光谱和理论研究的一个有趣的主题。在气相中，物种出现作为一个亚稳态形状共振，而在凝聚相中，它保持稳定。在这里，我们的方法系统的从头算分子动力学在液氨和证明，包括溶剂是至关重要的，确实导致稳定。除了自由基阴离子物种的存在之外，我们的模拟还在分子水平上探索了其凝聚相行为，并对其性质提供了新的见解。这些包括动态Jahn-Teller畸变，在液氨中的振动光谱，和溶剂壳层的结构，包括氨分子和芳环之间的$π$ -氢键的基序。
2020-07-22 physics.chem-ph
Approaches to Measuring Entanglement in Chemical Magnetometers
化学磁强计是自由基对体系，例如芘和N，N-二甲基苯胺（Py-DMA）的溶液，其在其自旋动力学和其荧光中显示磁场效应。我们研究了自由双生Py-DMA自由基对中量子纠缠的存在和衰减，并讨论了如何在这些系统中评估纠缠。我们提供了一个纠缠见证，并提出了可能的观测实验估计纠缠的各向同性超精细耦合的自由基对系统。作为一个应用程序，我们分析了如何在Py-DMA中的纠缠寿命的字段依赖性原则上可以用于磁强计，并说明在这种方法中的测量误差的传播。
2014-01-16 physics.chem-ph quant-ph
Quantum-limited biochemical magnetometers designed using the Fisher information and quantum reaction control
自由基-离子对及其反应引发了对生物系统中量子效应的研究。这是因为它们表现出了许多在量子信息科学中最好理解的效应，同时也是理解鸟类磁罗盘和光合反应中心自旋传输动力学的核心。在这里，我们从量子精密测量的角度来解决自由基对反应。由于自由基对的相干自旋运动受到外部磁场的影响，这些自旋相关的反应基本上实现了生物化学磁力计。利用量子费舍尔信息，我们找到了径向对磁强计磁灵敏度的基本量子极限。然后，我们探讨如何以及通常的测量方案考虑在自由基对反应，反应产率的测量，接近基本的限制。在这样做时，我们找到了最佳的超精细相互作用哈密顿量，导致最好的磁灵敏度从反应产率。这仍然比绝对量子极限小一个数量级。最后，我们证明了一个现实的量子反应控制提醒拉姆齐干涉，这里提出的量子线路涉及的自旋交换相互作用和最近提出的分子开关，我们可以接近的基本量子极限的一个因素2。这项工作开启了先进的量子精密测量方法在生物系统中的应用。
2016-11-27 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Magnetic Field-dependent Isotope Effect Supports Radical Pair Mechanism in Tubulin Polymerization
本研究通过实验与模拟结合，发现镁同位素替换在约3 mT弱磁场下通过自由基对机制（源于核自旋而非质量差异）显著影响微管聚合，建立了量子自旋动力学与微管组装的直接联系。
2025-04-05 physics.bio-ph physics.chem-ph q-bio.BM
The Quantum Compass Mechanism in Cryptochromes
本文综述隐花色素通过自由基对机制实现量子磁感受的理论基础，比较经典与替代自由基模型，并讨论自旋放大策略及生理条件下的关键研究问题。
2025-08-29 physics.chem-ph q-bio.BM
Radical-induced Hetero-Nuclear Mixing and Low-field $^{13}$C Relaxation in Solid Pyruvic Acid
自由基在动态核极化中起源的作用，但也可能起极化汇的作用。如果电子自旋和不同核库之间的耦合比任何库与晶格的耦合都强，则自由基可以介导异核混合。在这里，我们报告自由基增强$^{13}$ C松弛丙酮酸掺杂三苯甲基。我们发现碳$T_1$在5 mT和2 T之间对场的线性依赖性。我们扩展了一个模型，采用以前的质子，碳，并预测有效的质子-碳混合通过自由基非塞曼水库，从20 mT到超过1 T的领域。所观察到的碳弛豫和模型之间的差异是由于增强的直接异质核混合由于三苯甲基诱导的线宽，和场依赖的碳扩散从自由基附近的散装。高达600 mT的异质核极化转移的测量证实了预测的混合以及从弛豫分析推断的两种效果。
2022-08-01 physics.chem-ph
Quantum measurement corrections to CIDNP in photosynthetic reaction centers
化学诱导的动态核极化是许多光合反应中心出现的自旋有序的标志。这样的极化，显着增强以上热平衡，是已知的结果，从固有的自由基对机制的长期生活的电荷分离状态在光合作用反应中心的核自旋分选。我们将在这里表明，最近了解的基本量子动力学的自由基离子对反应开辟了一个新的和完全意想不到的场地获得CIDNP信号。的基本消相干机制固有的重组过程中的自由基对示出产生核自旋极化的顺序上的$10^4$倍或更高的热平衡值在地球的磁场相关的自然光合作用。这为从根本上探索光合作用中高核极化的生物学意义开辟了可能性。
2013-08-02 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Towards Quantum Sensing of Chiral-Induced Spin Selectivity: Probing Donor-Bridge-Acceptor Molecules with NV Centers in Diamond
提出利用金刚石浅层NV中心在单分子至少数分子层面直接探测D-B-A分子自由基对中CISS相关自旋极化的量子传感方案，并以Lee-Goldburg去耦抑制偶极耦合微扰、实现对映选择性检测。
2023-02-03 cond-mat.mes-hall physics.bio-ph physics.chem-ph
Magnetic Sensitivity and Entanglement Dynamics of the Chemical Compass
提出了一种基于生物化学反应的新型磁强计的磁灵敏度的量子极限。自由基离子对反应，生化系统的化学罗盘，提供了一个新的和独特的物理实现的磁场传感器竞争现代原子或凝聚态物质磁强计。我们详细说明了该传感器的量子相干性和纠缠动力学，表明它们提供了物理基础，用于测试我们对自由基离子对反应的基本量子动力学的理解。
2012-07-25 physics.atom-ph physics.bio-ph physics.chem-ph
Quantum mechanical spin dynamics of a molecular magnetoreceptor
已知自由基对复合反应对极弱的磁场敏感，因此可以说其起分子磁感受器的作用。经典的例子是类胡萝卜素-卟啉-富勒烯（C+PF-）自由基对，它已被证明为化学罗盘的操作提供了“原理证明”[K. Maeda等人，Nature 453，387（2008）]。以前对这个自由基对的模拟采用了半经典近似，这通常适用于它的47个耦合的电子和核自旋。然而，计算精确的量子力学自旋动力学提出了一个重大的挑战，并且在此之前是不可能的。在这里，我们使用最近开发的方法进行数值收敛模拟的C+PF-量子力学自旋动力学，包括所有耦合的自旋。这些量子力学模拟与各种半经典近似的比较表明，虽然它并不完美，但最佳半经典近似确实基本上捕捉了这个问题中所有相关的物理。
2020-04-23 physics.chem-ph
Magnetosensitivity in dipolarly-coupled three-spin systems
自由基对机理是研究化学反应过程磁敏性的经典模型。该模型的关键成分是超精细相互作用，诱导的单重态和三重态电子自旋状态的自由基对的相干混合，从而促进磁场效应（MFE）的反应产率通过自旋选择性反应通道。我们表明，超精细相互作用不是实现自由基反应对弱磁场敏感性的绝对要求。我们建议，在系统中，包括三个而不是两个自由基，偶极相互作用提供了一个替代途径的MFE。通过考虑对称性和能级交叉的作用，我们提出了一个模型，该模型展示了一个方向的灵敏度弱于地磁场和显着的尖峰在反应产率的函数的磁场强度，这些影响，而且可以调谐的交换相互作用。我们的研究结果进一步了解了弱磁场对化学反应的影响，可以为更清楚地了解磁感受和其他生物MFE的奥秘铺平道路，并激励量子传感器的设计。此外，这种现象将影响固态量子信息处理中使用的自旋系统，并且也可以应用于自旋电子学。
2018-09-03 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Chirality Induced Spin Coherence in Electron Transfer Reactions
近年来，人们对手性诱导的自旋选择性效应产生了很大的兴趣，从而在电极-分子电子转移过程中产生了依赖于分子手性的电子自旋极化。自然地，人们可能会考虑在简单的分子电荷转移反应中是否可以观察到类似的效应，例如在从电子供体到电子受体的光诱导电子转移中。本文利用Nakajima-Zwanzig理论研究了电子转移对手性单自由基和手性自由基对自旋的影响。在这些情况下，手征性与自旋轨道耦合结合，不会导致自旋极化，而是电子转移在自旋状态之间产生量子相干性。原则上，这种手征性诱导的自旋相干性可以体现在一系列的实验中，特别是我们证明了OOP-ESEEM脉冲EPR实验将能够检测到这种效果在定向自由基对。
2021-01-08 physics.chem-ph
Quantum probe and design for a chemical compass with magnetic nanostructures
像地球一样弱的磁场可能会影响某些光化学反应的结果，这些反应通过自由基对中间体进行。当反应环境是各向异性时，这种现象可以形成化学罗盘的基础，并已被提出作为动物磁感受的机制。在这里，我们演示了如何优化化学罗盘的设计，只需通过梯度场（例如，来自磁性纳米结构）就具有更好的方向灵敏度。我们提出了一个实验测试这些预测，并建议设计原则的混合金属有机化学罗盘。除了设计仿生弱磁场传感器的实际兴趣之外，我们的结果还表明梯度场可以作为探测自由基对反应中自旋相关性的强大工具。
2011-03-01 physics.chem-ph quant-ph
Open Quantum System Approach to the Modeling of Spin Recombination Reactions
在自旋相关的自由基对反应理论中，自由基对的时间演化，包括化学动力学的影响，由刘维尔形式主义中的主方程描述。对于化学动力学的描述，文献中已经制定了许多可能的反应算子。在这项工作中，我们提出了一个框架，允许一个统一的描述的各种建议的机制和形式的反应算子的自旋选择性重组过程。基于主方程可以从与外部自由度相互作用的自旋系统的微观描述中导出的概念，可以洞察潜在的微观过程，并开发出一种系统的方法来确定具体情况下反应算子的具体形式。
2012-04-20 physics.chem-ph quant-ph
CH(A) Radical Formation in Coulomb Explosion from Butane Seeded Plasma Generated with Chirp-Controlled Ultrashort Laser Pulses
本文通过啁啾控制超短激光脉冲引发丁烷库仑爆炸，结合FTVis时间分辨光谱和TDDFT计算，证明CH(A)自由基是120 fs内形成的初级产物。
2024-10-12 physics.chem-ph physics.plasm-ph
Observation of biradical spin coupling through hydrogen bonds
分子间电子自旋相互作用的研究在科学和技术领域都具有重要意义，本文利用超低温扫描隧道显微镜在Au（111）表面制备了全反式维甲酸分子自由基对。用磁场相关谱确定了两个自由基之间的反铁磁耦合，测得的交换能为0.1 - 1.0meV。双自由基自旋耦合介导的O-H $\cdots$ O氢键，阐明从分析结合密度泛函理论计算和现代版本的价键理论。
2022-05-04 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
