floquetエンジニアリングによる凝縮相分子システムにおける励起エネルギー移動の制御

励起エネルギー移動（EET）は、たとえば光合成錯体や有機太陽電池など、天然および人工化学システムの両方で最も重要なプロセスの1つです。ただし、EETレートは、ドナー分子とアクセプター分子の間に励起エネルギーに大きな違いがある場合、強く抑制されます。ここでは、励起エネルギーの違いを定期的に調節することにより、EETレートを大幅に向上させることができることを分析的および数値的に実証します。システムのハミルトニアンが定期的に時間依存しているこのフロケエンジニアリングを使用することによるEETの強化は、周囲の分子環境での膨大な数の動的な自由度とのカップリングによって引き起こされる強い変動と散逸の存在であっても効率的であることが判明しました。EETのフロケットエンジニアリングに対する環境の効果として、最適な駆動周波数は、システムと環境の特徴的な時間スケールの相対的な大きさに依存することがわかります。

Excitation energy transfer (EET) is one of the most important processes in both natural and artificial chemical systems including, for example, photosynthetic complexes and organic solar cells. The EET rate, however, is strongly suppressed when there is a large difference in the excitation energy between the donor and acceptor molecules. Here, we demonstrate both analytically and numerically that the EET rate can be greatly enhanced by periodically modulating the excitation energy difference. The enhancement of EET by using this Floquet engineering, in which the system's Hamiltonian is made periodically time-dependent, turns out to be efficient even in the presence of strong fluctuations and dissipations induced by the coupling with a huge number of dynamic degrees of freedom in the surrounding molecular environments. As an effect of the environment on the Floquet engineering of EET, the optimal driving frequency is found to depend on the relative magnitudes of the system and environment's characteristic time scales with an observed frequency shift when moving from the limit of slow environmental fluctuations (inhomogeneous broadening limit) to that of fast fluctuations (homogeneous broadening limit).