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《大连理工大学》 2017年
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光合作用中的能量传输

秦明  
【摘要】:光合作用最吸引人的物理现象是光能可以在l00ps时间内被捕获,并且能量会以超过95%的效率传输到光合作用反应中心。这引起了人们对其背后物理机制极大的研究兴趣。本文的研究工作主要是围绕光合作用激发能量和电荷传输展开,主要考察量子相干性和环境引起的退相干的影响,我们将通过开放系统的主方程来进行具体研究。本文共分五章,其中第三到五章为我们的主要工作。第一章和第二章简要介绍了本文研究课题的背景及意义,回顾了量子力学、量子生物学的诞生和发展。详细介绍了量子态、密度算符、主方程等概念以及光合作用中的激发能量传输、候鸟迁徙中的磁感受机制等几种重要的量子生物现象。第三章研究了相干演化和噪声引起的退相干效应是怎样协作起来以使系统达到高效的能量传输,讨论了激子之间耦合强度中的相位因子的作用。通过比较马尔可夫和非马尔可夫动力学的区别,我们讨论了环境对于系统的动力学以及能量传输效率的影响。用这一个简单的模型讨论了不同环境处理方式下系统动力学的鲁棒性以及量子相干对于能量传输的作用。我们进一步通过计算系统中的能量流及其量子性来从另外一个角度揭示量子相干的重要性,也给出并比较了不同系统参数下的结果。第四章,基于光系统Ⅲ反应中心(PSIIRC),我们提出了一个量子生物热机(BQHE)模型来描述电荷分离过程。通过计算稳态电流-电压(j-V)和功率-电压(P-V)特征曲线,我们探索了各种交叉耦合项是怎样影响电荷分离过程的电流和功率的,并讨论了多条反应路径的作用。我们也研究了BQHE对于实际存在的电荷重结合以及退相位噪声的鲁棒性,并将双路径模型推广到多路径模型。第五章,我们应用极化子主方程来分析系统-热库耦合在一段宽的参数范围内对于由量子热机模型刻画的光合系统Ⅱ反应中心中激发能量传输过程的影响。我们也讨论了声子库的库关联性质和温度以及这些因素的结合效应。我们用噪声辅助的传输效应和动力学局域性来解释所得到的结果。这些结果揭示了光合作用能量传输背后的两个机制:一个是共振能量传输,一个是动力学局域效应。系统-热库耦合以及环境关联包含在系统与热库的有效耦合中,决定了哪种机制主导了动力学过程,而温度调整了这两种机制平衡点。进一步,两种机制都可以归因于同一种物理根源:热库引起的涨落。这两种机制是涨落的双重效应的表现。在不同的参数范围内,涨落主要表现为相应的机制。基于这些讨论,我们也考察了相干性在量子热机中的作用。噪声和相干动力学之间有建设性的相互作用导致热机最优化的性能,而不仅仅是相干性和噪声是否存在。最后,我们给出了本文的总结和展望。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q945.11;O413

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