Theory of strong system-bath and electron-light interaction in coupled nanosystems Photosynthetic pigment-protein complexes and coupled quantum dots

Photosynthetische Einheiten in Pflanzen enthalten ausgedehnte Antennensysteme, die die Energie von absorbierten Sonnenlicht zum Hauptreaktionszentrum transferieren. Die Antennensysteme bestehen aus Pigmentproteinkomplexen, deren Pigmente hauptsächlich Chlorophyllmoleküle sind. Die Elektronen der verschiedener Chlorophyllmoleküle koppeln an das Bad der Proteinmolekülschwingungen. Außerdem wirkt zwischen den Elektronen der einzelnen Chlorophyllmoleküle auch noch die Förster-Coulombkopplung. Ähnliches gilt für Halbleiterquantenpunkte, sie koppeln an die Phononen des Halbleitermaterials und zwischen den Elektronen der Quantenpunkte wirkt auch die Förster-Coulombkopplung. Der Hauptzweck dieser Arbeit ist es verallgemeinerte Theorien zu entwickeln, die die optische Antwort dieser beiden Systemtypen beschreiben. Deshalb werden sowohl die Gemeinsamkeiten als auch die Unterschiede der beiden Systeme herausgearbeitet. Die Kopplung der Elektronen in den Pigmentproteinkomplexen an das Bad ist sehr stark und in einer ähnlichen Größenordnung wie die zwischenmolekulare Coulombwechselwirkung. Dies ist nicht der Fall in gekoppelten GaAs-Quantenpunkten, aber sehr wohl in anderen Materialien wie GaN- oder CdSe. Aus diesem Grund werden hier Methoden entwickelt, um Gedächtniseffekte zwischen elektronischen System und Bad, sowie die Coulombkopplung zwischen den Nanosystemen gleichzeitig zu behandeln. Die Methode der Kumulantenentwicklung wird zu diesem Zweck auf beliebige Pulsformen in nichtlinearer Optik verallgemeinert, um diesen Anforderungen zu genügen. Desweiteren wird die time convolutionless (TCL)-Theorie erweitert, um Korrelationen zwischen dem System und dem Bad zusammen mit Relaxationsprozessen zu behandeln. Im Gegensatz zu einigen Standardtechniken werden viele der Gedächtnis- und nicht Markovschen Effekte mit Hilfe dieser Methode beschrieben. Neuartige Gedächtniseffekte auf ultraschnellen Zeitskalen werden mit Hilfe der verallgemeinerten TCL-Theorie vorhergesagt für Parametersätze die für Pigment-Proteinkomplexe und gekoppelte Halbleiterquantenpunkte typisch sind. Die verbesserte Theorie wird eine Linienform in Pump-Probeexperimenten zeigen, die abhängig von der Verzögerungszeit ist. Dies trat vorher in TCL-Theorien nicht auf, da der Effekt von System-Badkorrelationen verursacht ist und die erst mit der hier demonstrierten Methode in TCL voll nicht Markovsch beschrieben werden können. Die neue Theorie könnte es erlauben über neue experimentelle Techniken nachzudenken, die die Bildung eines korrelierten System-Badzustandes nach optischer Anregung untersuchen. Außerdem kann die Antwort dieser Systeme auf hohe Lichtintensitäten von Interesse sein. Darum wird die Methode, der aus der Korrelationsentwicklung hergeleiteten Blochgleichungen in einer lokalen Basis, von allgemeinen Halbleitern auf gekoppelte Quantenpunkte und gekoppelte Chlorophylle übertragen. Nach einer Anwendung der Gleichungen, die das Wechselspiel von einem Effekt eines lokalen Felds und der Langzeitdephasierung für Photonenechoeffekte zeigt, werden die Beiträge einer Kombination der Förster- und der Elektron-Badkopplung hergeleitet, die den Anregungsenergietransfer und die Lebensdauerverbreiterung in dieser Theorie beschreiben. Weiterhin werden Terme hergeleitet, die den Effekt der Exziton-Exziton Annihilation beschreiben. Diese neue theoretische Methode erlaubt es nun, Experimente bei hohen Intensitäten zu simulieren. Dies wird dann an dem bekannten Beispiel eines Pigment-Proteinkomplexes, dem Light Harvesting Complex II (LHC II), angewendet. Fluoreszenz-Sättigungs- und Pump-Testexperimente werden simuliert und mit Experimenten verglichen und es zeigt sich eine gute Übereinstimmung.

Author dc:creator

• Richter, Marten

Advisor dc:contributor.advisor

• Knorr, Andreas

Licence dc:rights.uri

• http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/

Language dc:language.iso

en, English

Identifier URI

urn:nbn:de:kobv:83-opus-16668
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1699

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/1996