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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-82836
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8283/


Scholak, Torsten

Transport and coherence in disordered networks

Transport und Kohärenz in ungeordneten Netzwerken

Dokument1.pdf (20.687 KB) (md5sum: 0f157e430edc0f43eff43d7cb8a17488)

Kurzfassung in Englisch

A current and actively discussed issue are the mechanisms that drive efficient transport across photosynthetic light-harvesting complexes. Recent experiments detected long-lived quantum coherence in these systems, in the process rendering some long-accepted textbook knowledge obsolete: Although the very fabric of life---atoms and molecules---is of a quantum nature, these effects were thought to be irrelevant for most biological processes, simply because they operate at room temperature and involve vastly many degrees of freedom. Could nature, in order to enhance the efficiency of principal tasks, take advantage of quantum mechanical coherent dynamics?

In this thesis, we will investigate the transport properties of an ensemble of spatially disordered, finitely sized molecular networks with dipolar interactions in order to model energy transport in photosynthetic complexes in consideration of the variability of organic samples and the experimental uncertainties. For this task, we employ and compare several measures of transport efficiency. In contrast to the widely used hypothesis stating that quantum coherence effects generally lead to localization and thus hinder transport, we will identify certain rare optimal conformations featuring fast and perfectly efficient transport of energy---solely by means of constructive quantum interference. Furthermore, we will unveil that efficient transport is always associated with the build-up of strong multisite entanglement. Adding dephasing noise---which gradually destroys interference and thereby gives rise to essentially classical transport---increases the transport efficiency of most configurations, but, as we show, the highest efficiencies are attained only by the optimal configurations in case of purely coherent dynamics, i.e., in the absence of noise. Finally, we attempt to extrapolate the transport statistics to infinitely sized systems.


Kurzfassung in Deutsch

Ein aktuelles und heftig diskutiertes Forschungsthema sind die für den effizienten Transport durch photosynthetische Lichtsammelkomplexe verantwortlichen physikalischen Mechanismen. Aufgrund von neuartigen Experimenten, die erstmals die Existenz langlebiger Quantenkohärenz in diesen Systemen belegen konnten, gilt vormals etabliertes Lehrbuchwissen seit Kurzem als überholt: Obwohl die Grundbausteine des Lebens, d.h. Atome und Moleküle, von quantenmechanischer Natur sind, dachte man lange Zeit, dass Quanteneffekte irrelevant fuer die meisten biologischen Prozesse wären, einfach weil Biologie bei Raumtemperatur stattfindet und enorm viele Freiheitsgrade umfasst. Könnte die Natur also, um die Effizienz wesentlicher Prozesse zu verbessern, am Ende auf quantenmechanisch-kohärente Dynamik zurückgreifen?

In dieser Arbeit werden wir die Transporteigenschaften eines Ensembles von räumlich ungeordneten, endlich großen molekularen Netzwerken mit dipolaren Wechselwirkungen untersuchen, um den Energietransport in photosynthetischen Komplexen unter Berücksichtigung der Mannigfaltigkeit organischer Proben und der Streuungsbreite experimenteller Daten zu modellieren. Dazu verwenden und vergleichen wir verschiedene Transporteffizienzmaße. Im Widerspruch zu der weit verbreiteten Ansicht, dass Quantenkohärenzeffekte normalerweise zu Lokalisierung führen und damit Transport stets unterdrücken, finden wir bestimmte seltene optimale Konformationen, die schnellen und höchstgradig effizienten Energietransport erlauben. Dies wird durch konstruktive Quanteninterferenz ermöglicht. Darüber hinaus werden wir sehen, dass effizienter Transport stets mit dem Aufbau von starker Vielteilchenverschränkung verbunden ist. Hinzugabe von dephasierendem Rauschen, welches die Interferenzen allmählich zerstört und damit im Wesentlichen klassischen Transport herstellt, erhöht die Transporteffizienz der meisten Konfigurationen. Jedoch zeigen wir, dass die höchsten Effizienzen den optimalen Konfiguration vorbehalten sind, und zwar im Falle der rein kohärenten Dynamik, d.h. in Abwesenheit von Rauschen. Gegen Ende der Arbeit versuchen wir, die Transportstatistik im Limes unendlich großer Netzwerke vorherzusagen.


SWD-Schlagwörter: Quantenmechanik , Lokalisation , Energietransfer <Mikrophysik> , Transportprozess , Zeitabhängiger Transportprozess , Kohärenz , Biomolekül , Photosyn
Freie Schlagwörter (deutsch): statische Unordnung , Exzitonen , Fenna-Matthews-Olson Komplex , Verschränkung
Freie Schlagwörter (englisch): static disorder , excitons , Fenna-Matthews-Olson complex , entanglement
PACS Klassifikation 03.65.Yz , 87.15.hj , 05.60.-k
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Buchleitner, Andreas (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 15.06.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 14.09.2011
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