Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Institut für Physik

Fachgebiet: Theoretische Physik

Betreuer: Prof. Dr. Oliver Kühn



Dipl.-Phys. Jan Schulze
(e-mail: jan.schulze@uni-rostock.de )

Exciton-Vibrational Dynamics in Light-Harvesting Complexes - An ML-MCTDH Approach

Die Kopplung von elektronischen und Kernfreiheitsgraden (EVC) steht bereits seit langem im Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen im Hinblick auf deren Einfluss auf den Exzitonen Energie Transfer (EET) in Lichtsammelkomplexen und wird bis heute kontrovers diskutiert. In dieser Arbeit wurde insbesondere hochdimensionale Quantendynamik verschiedener Modelle des Fenna-Matthews-Olson Komlexes sowie eines reduzierten Modells des Lichtsammelkomplexes 2 (LH2) untersucht. Dabei wurde die zeitabhängigen Schrödinger Gleichungen mittels der multilayer multiconfigurational time-dependent Hartree (ML-MCTDH) Methode gelöst. Es konnte gezeigt werden, dass einerseits experimentell ermittelte Spektraldichten (SD) signifikant durch Delokalisierungen von Exzitonenzuständen beeinflusst und andererseits die Dynamik sehr sensitiv bezüglich berechneter SDs ist. Anhand von FMO Modellen konnte dargelegt werden, dass EVC den direktionalen und dissipativen Charakter des EET bestimmt. Für den LH2 konnte insbesondere der Effekt sogenannter "spectator modes" charakterisiert werden.

The role of the coupling between electronic states and vibrational degrees of freedom (EVC) for exciton energy transfer (EET) in photosynthetic complexes has been in the focus of this thesis. High-dimensional models of the Fenna-Matthews-Olsen (FMO) complex as well as a reduced model of the light-harvesting antenna complex 2 (LH2) of purple bacteria have been developed. The high-dimensional time-dependent Schrödinger equations have been solved via the multilayer expansion of multiconfigurational time-dependent Hartree method (ML-MCTDH). It could be shown that at the one hand experimental spectral densities are influenced by delocalization of the exciton states, on the other and the dynamics relies sensitively on the details of computed SDs. Further, it could be shown that in FMO the dissipative character of EET and the pathways of the exciton transfer is imprinted by EVC. For a LH2 model the effect of so-called "spectator modes" could be characterized.