Časově rozlišená fluorescenční spektroskopie jednotlivých molekulárních kvantových systémů

• Thesis title in Czech: Časově rozlišená fluorescenční spektroskopie jednotlivých molekulárních kvantových systémů
• Thesis title in English: Time-resolved fluorescence spektroskopie of individual molecular quantum systems
• Key words: individualita|neuspořádanost|jednomolekulární spektroskopie|ultrarychlá spektroskopie|fotosyntéza
• English key words: individuality|disorder|single-molecule spectroscopy|ultrafast spectroscopy|photosynthesis
• Academic year of topic announcement: 2023/2024
• Thesis type: dissertation
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: RNDr. Pavel Malý, Ph.D.
• Advisors: doc. Mgr. Tomáš Mančal, Ph.D.

Guidelines

1. Seznámit se s jednomolekulární fluorescenční spektroskopií
2. Seznámit se detekcí jednotlivých fotonů
3. Spolu se školitelem navrhnout a postavit experimentální setup pro detekci jednotlivých fotonů emitovaných jednotlivými molekulárními kvantovými systémy
4. Ověřit fungování setupu včetně časového rozlišení na stabilních emitterech
5. Aplikovat experiment na vybrané nanosystémy jako světlosběrné komplexy atp.
6. Výsledky průběžně prezentovat na konferencích a publikovat v odborných časopisech

References

Gruber et al., „From isolated light-harvesting complexes to the thylakoid membrane: a single-molecule perspective“, Nanophotonic 7, 81 (2018)
Malý et al., “Ultrafast energy relaxation in single light-harvesting complexes”, Proc. Natl. Acad. Sci., 113, 2934 (2016)
Thyrhaug et al., “Single-molecule excitation–emission spectroscopy”, Proc. Natl. Acad. Sci. 116, 4064 (2019)
Malý et al., “Robust light harvesting by a noisy antenna”, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 4360 (2018)
Malý et al., Fluorescence-detected Pump–Probe Spectroscopy, Angew. Chem. Int. Ed. 60, 18867 (2021)
další odborné články po dohodě s vedoucím práce

Preliminary scope of work

Prakticky všechny elektronické vlastnosti organických materiálů v excitovaném stavu jsou známy z optické spektroskopie - od absorpce a emise pro určení struktury stavů až po ultrarychlou nelineární spektroskopii pro přenos energie. Významnými příklady jsou přenosy excitační energie v přírodních fotosyntetických světlosběrných komplexech a umělých organických solárních materiálech, jakož i přenos excitace mezi dvojicemi přesně umístěných fluorescenčních značek vypovídajících o struktuře a interakci proteinů v subnanometrovém měřítku. V podstatě všechna měření a z nich plynoucí poznatky jsou však založeny na objemových měřeních, které průměrují obrovský počet příslušných systémů. To je zásadní omezení, protože všechny výše uvedené systémy jsou ze své podstaty vysoce neuspořádané a fluktuují na mnoha škálách.
Přístupem, který přesahuje rámec souboru, je tzv. jednomolekulová fluorescenční spektroskopie. Skutečné jednotlivé molekuly jsou v jistém smyslu nudné, protože rozložení jejich vlastností je dáno jejich bezprostředním okolím. Oproti tomu tzv. individuální molekulární kvantové systémy, tj. superkomplexy, které se chovají jako samostatné emitující systémy, mají vlastní komplexní dynamiku se složitou fyzikou a přímými funkčními důsledky.
Tato disertační práce se zabývá studiem statické a dynamické neuspořádanosti v takových individuálních molekulárních kvantových systémech s příklady od fotosyntetických komplexů po organické krystalické nano- a mikrodomény. Stěžejní částí práce bude konstrukce citlivého, časově rozlišeného "jednomolekárního" detekčního setupu a jeho aplikace na vybrané systémy. Konkrétní obsah práce bude upřesněn po konzultaci. Předpokládají se odborné znalosti uchazeče na úrovni ukončeného magisterského studia biofyziky a chemické fyziky nebo optiky a optoelektroniky.

Preliminary scope of work in English

From steady state absorption and emission for state structure to ultrafast nonlinear spectroscopy for energy transfer, practically all electronic excited-state properties of organic materials are known from optical spectroscopy. Prominent examples are excitation energy transfer in natural photosynthetic light-harvesting complexes and artificial organic solar materials, as well as excitation transfer between pairs of precisely placed labels reporting on protein structure and interaction at sub-nanometre scale. However, basically all the measurements and the resulting understanding are based on ensemble measurements that average over vast number of the relevant systems. This is a fundamental limitation, since all the systems mentioned above are intrinsically highly disordered, fluctuating at several length and time scales.
An approach that goes beyond the ensemble is so-called single-molecule fluorescence spectroscopy. True single molecules are, in a sense, boring, since the distribution of their properties is dictated by their immediate environment. In contrast, so-called single molecular quantum systems, i.e., supercomplexes that behave as individual emitting units, possess intrinsic complex dynamics with involved physics and direct functional implications.
This dissertation is concerned with study of the static and dynamic disorder in such individual molecular quantum systems, with examples ranging from photosynthetic complexes to organic crystalline nano- and micro-domains. The core part of the thesis will be construction of a sensitive, time-resolved ‘single-molecule’ detection setup, and its application to selected systems of interest. The particular thesis content will be specified upon consultation. The candidate expertise on the level of finished master study in biophysics and chemical physics or optics and optoelectronics is expected.