环境结构和初始系统-环境关联对光合作用能量传输的效应

Though influenced by surrounding environment, the energy transfer in natural photosynthesis can still be very high. The mechanisms underlying this phenomenon is a focal issue in the field of quantum biology. In recent works, we have investigated the influence of environment-induced quantum coherence on energy transfer through a biological quantum heat engine (BQHE) model. Further explorations on the role of environment and the BQHE model are still needed. In this project, we aim to (1) develop and improve the multi-site variational polaron master equation theory; (2) explore the effects of initial system-environment quantum correlation based on this variational polaron master equation theory. (3) build a more appropriate BQHE model. Also, we will apply the above theories to the investigations on the energy transfer process in photosynthesis, and carefully analyze the effects of the environment with specific structures and the initial quantum correlation between light-harvesting complexes and surrounding environment, as well as the perspective of quantum thermodynamics on the energy transfer in photosynthesis. Investigations on the above issues help to understand the underlying mechanism of high efficient energy transfer in photosynthesis and also provide theoretical guidance for designing novel nanofabricated light-harvesting devices.

虽然受到周围环境的影响，自然界光合作用能量传输的效率仍然非常高，这一现象背后的物理机制是量子生物学领域的一个热点问题。在近期的工作中，申请人通过生物量子热机模型研究了环境引起的量子相干对于能量传输的影响，但是环境所起的作用以及生物量子热机模型仍需进一步的探索。本项目旨在（1）发展完善多格点变分极化子主方程理论；（2）在该理论框架下探讨初始系统-环境关联的效应；（3）建立更加恰当的生物量子热机模型。并且将以上理论应用到光合作用能量传输的研究中，深入分析具有特定结构的环境和初始时刻捕光复合物与周围环境的量子关联的效应，以及从量子热力学层面上考虑光合作用能量传输。对上述问题的研究将有助于深入理解光合作用高效能量传输的机制，也为设计人工高效的捕光器件提供理论指导。

虽然受到周围环境的影响，自然界光合作用能量传输的效率仍然非常高，这一现象背后的物理机制是量子生物学领域的一个热点问题。本项目旨在探索量子相干性对于能量传输的影响以及环境所起的作用。研究内容包括：（1） 扩展了相干共振能量传递理论，考虑了初始时刻系统与环境之间的关联对开放量子系统动力学的影响。将含有初始关联的非平衡环境态在极化子框架下做展开。通过求解二阶时间无卷积主方程，模拟了在系统与环境耦合强度变化较大的范围内的系统动力学演化过程。结果表明在一定的参数范围内，初始关联可以加速能量传递并且使动力学过程表现出更加明显的量子相干性。计算结果发表于文章 Physical Review A 99, 032111 (2019)。（2）本文将[Physical Review A 99, 032111 (2019)]中的能量传递理论扩展到了系统的初态为一个相干叠加态的情况。数值模拟结果表明，在系统的某些初态条件下，初始时刻系统与环境之间的关联对系统动力学演化过程起到重要的作用。甚至在一定条件下，系统动力学演化过程对有无初始关联十分敏感，我们称其为“敏感窗口”。另外为了作对比，还推导了基于Förster-Dexter能量传递理论的速率方程。计算结果发表于文章 Physical Review A 100, 012134 (2019)。（3）研究了热库弛豫时间较长的条件下，初始时刻系统与环境之间的关联对开放量子系统中能量传输的影响。模拟了谱密度截止频率，温度等系数变化较大的范围内的系统动力学演化过程。结果表明谱密度截止频率和温度对初始系统-环境关联的这一效应有显著影响。计算结果正在以论文形式向Physical Review A期刊投稿。（4）研究了系统两格点之间的空间关联对开放量子系统中能量传输的影响。结果表明空间关联开辟了新的能量传输通道，起到了保护量子相干性的作用。计算结果发表于文章 Journal of Physical Chemistry B 125, 6417 (2021)。对上述问题的研究将有助于深入理解光合作用高效能量传输的机制，也为设计人工高效的捕光器件提供理论指导。