Probing ultrafast excitation energy transfer of the chlorosome with exciton–phonon variational dynamics

文献情報

出版日 2016-01-08
DOI 10.1039/C5CP06491K
インパクトファクター 3.676
著者

Alejandro Somoza Márquez, Lipeng Chen, Kewei Sun, Yang Zhao


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要旨

The chlorosome antenna complex is a fascinating structure which due to its immense scale, accurate simulation of excitation energy transfer (EET) dynamics supposes a genuine computational challenge. Resonant vibronic modes have been recently identified in 2D spectra of the chlorosome which motivates our present endeavour of modelling electronic and vibrational degrees of freedom on an equal footing. Following the Dirac–Frenkel time-dependent variational principle, we exploit a general theory of polaron dynamics in two-dimensional lattices based on the Holstein molecular crystal model and investigate a single rod model of pigment aggregates. Unlike reduced formalisms, explicit integration of the degrees of freedom of both the system and the bath requires extensive computational resources. We exploit the architecture of graphic processor units (GPUs) by implementing our simulations on this platform. The simulation of dynamic properties of hundreds or even thousands of pigments is thus achievable in just a few hours. The potential investigation and design of natural or engineered two-dimensional pigment networks can thus be accommodated. Due to the lack of consensus regarding the precise arrangement of chromophores in the chlorosome, helicity and dimerization are investigated independently, extracting their contributions to both optical and EET properties. The presence of dimerization is found to slow down the delocalization process. Exciton delocalization is completed in 100 fs in a single rod aggregate whose dimensions (20 nm) fairly exceed the estimated extent of a coherent domain. Ultrafast energy relaxation in the exciton manifold occurs in 50 fs and the duration of super-diffusive transport is found to last for about 80 fs.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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