Exciton-vibrational resonance and dynamics of charge separation in the photosystem II reaction center

文献情報

出版日 2017-01-17
DOI 10.1039/C6CP07308E
インパクトファクター 3.676
著者

Vladimir I. Novoderezhkin, Elisabet Romero, Javier Prior, Rienk van Grondelle


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要旨

The dynamics of charge separation in the photosystem II reaction center (PSII-RC) in the presence of intramolecular vibrations with their frequency matching the energy gap between the exciton state acting as the primary electron donor and the first charge-transfer (CT) state are investigated. A reduced PSII-RC 4-state model explicitly including a CT state is analyzed within Redfield relaxation theory in the multidimensional exciton-vibrational (vibronic) basis. This model is used to study coherent energy/electron transfers and their spectral signatures obtained by two-dimensional electronic spectroscopy (2DES). Modeling of the time-resolved 2D frequency maps obtained by wavelet analysis reveals the origins of the coherences which produce the observed oscillating features in 2DES and allows comparing the lifetimes of the coherences. The results suggest faster excitonic decoherence as compared with longer-lived vibronic oscillations. The emerging picture of the dynamics unravels the role of resonant vibrations in sustaining the effective energy conversion in the PSII-RC. We demonstrate that the mixing of the exciton and CT states promoted by a resonant vibrational quantum allows faster penetration of excitation energy into the CT with subsequent dynamic localization at the bottom of the CT potential induced by the remaining non-resonant nuclear modes. The degree of vibration-assisted mixing and, correspondingly, the rate of primary charge separation, increases significantly in the case of electron–vibrational resonance. The observed features illustrate the principles of quantum design of the photosynthetic unit. These principles are connected with the phenomenon of coherent mixing within vibronic eigenstates, increasing the effectiveness of charge separation not only upon coherent and impulsive laser excitation utilized in the 2DES experiment, but also under natural conditions under non-coherent non-impulsive solar light illumination.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
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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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