Quantum transport through complex networks - from light-harvesting proteins to semiconductor devices - Publikationsserver der Universität Regensburg

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-265325
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.26532

Kreisbeck, Christoph

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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 08 Nov 2012 08:28

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Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	8 November 2012
Begutachter (Erstgutachter):	Dr. Tobias Kramer
Tag der Prüfung:	16 Oktober 2012
Institutionen:	Physik > Institut für Theoretische Physik > Entpflichtete oder im Ruhestand befindliche Professoren > Arbeitsgruppe Tobias Kramer
Stichwörter / Keywords:	energy transfer in light-harvesting complexes, FMO-complex, 2d echo spectroscopy, wave packet approach, ballistic transport, Aharonov-Bohm interferometer
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	26532

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Zusammenfassung (Englisch)

Zusammenfassung (Englisch)

Electron transport through small systems in semiconductor devices plays an essential role for any applications in micro-electronics. One focus of current research lies on establishing conceptually new devices based on ballistic transport in high mobility AlGaAs/AlGa samples. In the ballistic regime, the transport characteristics are determined by coherent interference effects. In order to guide experimentalists to an improved device design, the characterization and understanding of intrinsic device properties is crucial. We develop a time-dependent approach that allows us to simulate experimentally fabricated, complex device-geometries with an extension of up to a few micrometers. Particularly, we explore the physical origin of unexpected effects that have been detected in recent experiments on transport through Aharonov-Bohm waveguide-interferometers. Such interferometers can be configured as detectors for transfer properties of embedded quantum systems. We demonstrate that a four-terminal waveguide-ring is a suitable setup for measuring the transmission phase of a harmonic quantum dot.

Quantum effects are not restricted exclusively to artificial devices but have been found in biological systems as well. Pioneering experiments reveal quantum effects in light-harvesting complexes, the building blocks of photosynthesis. We discuss the Fenna-Matthews-Olson complex, which is a network of coupled bacteriochlorophylls. It acts as an energy wire in the photosynthetic apparatus of green sulfur bacteria. Recent experimental findings suggest that energy transfer takes place in the form of coherent wave-like motion, rather than through classical hopping from one bacteriochlorophyll to the next. However, the question of why and how coherent transfer emerges in light-harvesting complexes is still open. The challenge is to merge seemingly contradictory features that are observed in experiments on two-dimensional spectroscopy into a consistent theory. Here, we provide such a theory based on a realistic model for the Fenna-Matthews-Olsen complex. Up to now, realistic simulations of the two-dimensional spectra for large biomolecules have been out of computational reach. We overcome this limitation and establish an efficient algorithm using the new technology of graphics processing unit computation.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

In der Mikroelektronik spielt der Transport durch mesoskopische Bauteile eine wichtige Rolle. Einen aktuellen Forschungsschwerpunkt stellt das konzeptionelle Design neuartiger Bauteile basierend auf ballistischem Transport in AlGaAs/AlGa Halbleiterstrukturen dar. Im ballistischen Regime bestimmen Interferenz-Effekte aufgrund der Wellennatur der Elektronen die charakteristischen Transporteigenschaften. In dieser Arbeit wird eine
Wellenpacket-Methode entwickelt, die auf der Lösung der zeitabhängigen Schrödingergleichung beruht. Diese Methode ermöglicht effiziente Simulationen von komplexen Bauelementen mit einer Ausdehnungen von bis zu wenigen Mikrometern. Insbesondere werden mesoskopische Quantenringe betrachtet, deren Interferenzmuster gemäß des Aharonov-Bohm Effektes durch ein externes Magnetfeld manipuliert werden können. Solche Bauteile zeigen nicht nur unerwartete Interferenzeffekte, sondern eigenen sich auch als Messaufbau zur Bestimmung der quantenmechanischen Transporteigenschaften eines harmonischen Quantenpunktes.

Quanteneffekte sind nicht nur beschränkt auf festkörperbasierte Bauteile, sondern sind auch für biologische Systeme relevant. Bahnbrechende Experimente weisen Quanteneffekte auch in llichterntenden Molekülen nach. Lichterntende Moleküle sind wichtige Proteine für den Prozess der Photosynthese. In dieser Arbeit werden Mechanismen des Energietransfers im Fenna-Matthews-Olson Komplex, der im wesentlichen aus einem Netzwerk von gekoppelten Bakteriochlorophylls aufgebaut ist, untersucht. Obwohl experimentell die quantenmechanische Wellencharakteristik des Energietransfers nachgewiesen wurde, gibt es bisher keine theoretische Erklärung für eine langanhaltende Kohärenz im Fenna-Matthews-Olson Komplex bei den für die Photosynthese relevanten physiologischen Temperaturen. Erschwert wird die Entwicklung theoretischer Modelle durch die Tatsache, dass die auf zwei-dimensionaler Spektroskopie basierenden Experimente auf den ersten Blick scheinbar widersprüchliche Ergebnisse liefern. Die Schwierigkeit besteht darin, eine theoretische Beschreibung zu entwickeln, die alle experimentell beobachteten Merkmale in einer Theorie vereint. Das ist einer der Schwerpunkte dieser Arbeit. Bisher waren theoretische Simulationen der experimentell zugänglichen zwei-dimensionalen Spektroskopie für große lichterntende Moleküle aufgrund numerischer Limitationen nicht möglich bzw. eingeschränkt durch sehr restriktive Approximationen. Um diese Einschränkung zu überwinden, werden in dieser Arbeit hocheffiziente Algorithmen entwickelt, die auf der neuen Technologie des sogenannten GPU-Rechnens basieren. GPU-Rechnen greift auf die enorme Leistungsfähigkeit moderner Graphikkarten zurück.

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