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Theory of ultrafast exciton dynamics in photosynthetic antenna systems

by Brüggemann, Ben

Abstract (Summary)
Die Multiexzitonen-Theorie des Anregungsenergie-Transfers in Farbstoff-Protein-Komplexen und biologischen Antennensystemen wird um den Prozess der Exziton-Exziton-Vernichtung erweitert. Um eine mikroskopische Beschreibung zu erzielen, wird eine Herangehensweise benutzt, die auf der Internen Konversion der Anregungsenergie innerhalb der Farbstoffmoleküle basiert. Diese Interne Konversion führt zu nicht strahlenden Übergängen von höheren zu niedrigeren Exziton-Mannigfaltigkeiten. Neben der Einbeziehung der Exziton-Exziton-Vernichtung beinhaltet die hier verwendete Multiexziton-Dichtematrixtheorie auch die Kopplung zu niedrig-energetischen Schwingungs-Freiheitsgraden und dem elektrischen Feld. Für den Übergang von der Zwei- zu der Einexzitonen -Mannigfaltigkeit werden exakte und genäherte Ausdrücke hergeleitet. Die erste Anwendung der erweiterten Multiexziton-Dichtematrixtheorie ist die Berechnung von ultra-schnellen differentiellen Absoptionsspektren. Um den Prozess der Exziton-Exziton-Vernichtung in intensitätsabhängigen differenziellen Absorptionsspektren näher zu untersuchen, wird diese Herangehensweise auf den B850 Ring des LH2 von rhodobacter sphaeroides angewendet. Die Bedeutung der Exziton-Exziton-Vernichtung und der Einfluss von statischer Unordnung werden detailiert diskutiert. Die Simulationen der differentiellen Absorptionsspektren mit statischer Unordnung und Orientierungsmittelung zeigen gute Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtngen. Durch die Veröffentlichung der Strukturdaten des Photosystem I (PS1) von Synechococcus elongatus wurde es zum ersten Mal möglich, ein Exziton-Modell für die 96 Chorophyllmoleküle einzuführen, die in die Proteinmatrix dieses Antennensystems eingebettet sind. Das Ziel dabei ist, sowohl die linearen Spektren in einem weiten Temperaturbereich, als auch die zeitaufgelöste Fluoreszenz zu reproduzieren. Die Kopplungen und die Dipolmomente der Chlorophyllmoleküle wurden den Strukturdaten entnommen. Da die Energien der einzelnen Farbstoffe stark von deren unmittelbarer Umgebung abhängt, werden diese bestimmt, indem simulierte Absorption, Lineardichroismus und Zirkulardichroismus bei niedrigen Temperaturen den experimentellen Spektren angepasst werden. Nachdem einige Chlorophyllmoleküle den Zuständen mit den niedrigsten Energien zugeordnet wurden, werden die Energien mit Hilfe eines evolutionären Algorithmus angepasst. Die Qualität des PS1 Modells wird durch die Berechnung der zeitabhängigen Fluoreszenz untermauert (mit zusätzlicher inhomogener Linienbreite), die Simulationen stimmen gut mit aktuellen experimentellen Resultaten überein. Die oben erwähnten Exziton-Modelle beschreiben die jeweiligen Experimente erfolgreich. Der nächste Schritt ist, diese Modelle zu nutzen, um einen neuen Typ von Experiment vorzuschlagen, das Exciton-Steuerungs-Experiment. Auf dem Exciton-Modell des FMO Komplexes von Prosthecochloris aestuarii und dem oben erwähnten PS1 Modell von Synechococcus elongatus aufbauend wird die Bildung von exzitonischen Wellenpaketen durch Laser-Anregung studiert. Diese stellen eine kohärente Überlagerung exzitonischer Zustände dar, ähnlich der bei Schwingungs-Wellenpaketen. Um die spezielle Form des Femtosekunden-Laserpulses zu bestimmen, der zu einer räumlichen Lokalisierung der Anregungsenergie führt, wird die Theorie der optimalen Steuerung verwendet. Die Möglichkeit, solch einen lokalisierten Zielzustand zu erreichen, wird aufgezeigt, auch unter dem Einfluss von energetischer Unordnung und Exziton-Exziton Vernichtung. Ferner wird gezeigt, dass die Effizienz der Lokalisierung und die Länge des optimalen Pulses stark von der Temperatur abhängen.
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Bibliographical Information:

Advisor:

School:Humboldt-Universität zu Berlin

School Location:Germany

Source Type:Master's Thesis

Keywords:Physik, Astronomie Physik Photosynthetische Antennensysteme Exziton-Exziton-Vernichtung

ISBN:

Date of Publication:07/13/2004

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