Theory of ultrafast relaxation and internal conversion in chlorophyll molecules

• Název práce v češtině: Teorie ultrarychlé relaxace a vnitřní konverze v molekulách chlorofylu
• Název v anglickém jazyce: Theory of ultrafast relaxation and internal conversion in chlorophyll molecules
• Klíčová slova: přenos excitační energie|spektroskopie vysokého časového rozlišení|vnitřní konverze|chlorofyl a
• Klíčová slova anglicky: excitation energy transfer|ultrafast spectroscopy|internal conversion|chlorofyl a
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
• Vedoucí / školitel: doc. Mgr. Tomáš Mančal, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 11.10.2021
• Datum zadání: 20.10.2021
• Datum potvrzení stud. oddělením: 29.10.2021
• Datum a čas obhajoby: 04.09.2023 09:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 21.07.2023
• Datum odevzdání tištěné podoby: 21.07.2023
• Datum proběhlé obhajoby: 04.09.2023
• Oponenti: RNDr. Mgr. Libor Veis, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1. Prostudovat odbornou literaturu k tématu
2. Osvojit si základy teoretického popisu molekulárních systémů pomocí excitonového modelu
3. Osvojit si základy popisu elektron-fononové interakce.
4. Rozšířit excitonový popis fotosyntetických systémů o stavy s přenosem náboje
5. Osvojit si práci se simulačním softwarem, případně se aktivně podílet na jeho rozšíření
6. Simulovat optická a spektra a ultrarychlou kinetiku fotosyntetického reakčního centra
7. Sepsat podrobnou rešerši

Seznam odborné literatury

[1] H. van Amerongen, L. Valkunas and R. van Grondelle, Photosynthetic Excitons, World Scietific, Singapore, 2000
[2] V. May and O. Kuhn, Charge and Energy Transfer Dynamics in Molecular Systems, Wiley-VCH, Berlin, 2000
[3] R. E. Blankenship, Molecular Mechanisms of Photosynthesis, Blackwell Science, Oxford, 2002
[4] T. Renger, Rhys. Rev. Lett., 93 (2004) 188101
[5] T. Mancal, L. Valkunas and G. R. Fleming, Chem. Phys. Lett., 432 (2006) 301
[6] L. Valkunas, D. Abramavicius, T. Mancal, Molecular Excitaion Dynamics and Relaxation, Wiley-VCH, 2013
[7] S. Mukamel, Principles of nonlinear optical spectroscopy, Oxford University Press, 1995
[8] J. Seibt, V. Slama and T. Mancal, Chem. Phys. 481 (2016) 218
[9] A. Niedringhaus, V. R. Policht, R. Sechrist, A. Konar, P. D. Laible, D. F. Bocian, D. Holten, C. Kirmaier, J. P. Ogilvie, Proc. Natl. Acad. Sci. 115, 3563–3568 (2018)
[10] F. Zheng, M. Jin, T. Mancal, and Y. Zhao, J. Phys. Chem. 120 (2016) 10046
a další původní práce, k dispozici u vedoucího práce

Předběžná náplň práce

Ultrarychlá dynamika uvnitř fotosyntetických reakčních center bakterií a rostlin významně přispívá k účinnosti přeměny excitační energie na energii chemickou. Reakční centrum funguje současně jako fotosyntetická anténa a jako generátor náboje pro přenos přes buněčnou membránu. Důsledkem této dvojí funkce je přítomnost excitovaných stavů při nichž elektron putuje z molekuly na molekulu - situace podstatně odlišná od běžných fotosyntetických antén, jejichž pigmenty neumožňují přenos elektronu. Z hlediska teoretického popisu se tak komplikuje jak užití Frenkelova excitonového modelu, tak výpočty spekter a rychlostních konstant přenosu energie. V této práci bude hlavním cílem reformulovat Frenkelům excitonový model tak, aby bylo možno zahrnout tzv. stavy s přenosem náboje a následně s takto obohaceným modelem nalézt shodu mezi teorií a experimentem (článek [9]) v otázce rychlosti přenosu energie uvnitř reakčního centra.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Ultrafast dynamics inside photosynthetic reaction centers of bacteria and plants contributes significantly to the efficiency of excitation energy conversion into chemical energy. The reaction center works simultaneously as a photosynthetic antenna and a generator of charge for its transfer through cellular membrane. A result of this double function is the presence of charge transfer states, in which electron transfers between pigment molecules - unlike in a usual photosynthetic antenna, whose pigments do not allow transfer of electrons. From the point of view of theoretical description, the usage of Frenkel exciton model and calculations of optical spectra and energy transfer rates becomes complicated. In this work, the main task will be to reformulate Frenkel exciton model, so that it becomes possible to include the charge transfer states, and subsequently, with an enriched model, to find agreement between the theory and experiment (ref. [9]) in the question of energy transfer rates in the reaction center.