Förster resonance energy transfer, absorption and emission spectra in multichromophoric systems. I. Full cumulant expansions and system-bath entanglement

离域电子 谱线 发射光谱 吸收光谱法 吸收(声学) 累积量 物理 量子纠缠 化学 分子物理学 原子物理学 量子力学 量子 光学 数学 统计
作者
Jian Ma,Jianshu Cao
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:142 (9) 被引量:101
标识
DOI:10.1063/1.4908599
摘要

We study the Förster resonant energy transfer rate, absorption and emission spectra in multichromophoric systems. The multichromophoric Förster theory (MCFT) is determined from an overlap integral of generalized matrices related to the donor's emission and acceptor's absorption spectra, which are obtained via a full 2nd-order cumulant expansion technique developed in this work. We calculate the spectra and MCFT rate for both localized and delocalized systems, and calibrate the analytical 2nd-order cumulant expansion with the exact stochastic path integral method. We present three essential findings: (i) The role of the initial entanglement between the donor and its bath is found to be crucial in both the emission spectrum and the MCFT rate. (ii) The absorption spectra obtained by the cumulant expansion method are nearly identical to the exact spectra for both localized and delocalized systems, even when the system-bath coupling is far from the perturbative regime. (iii) For the emission spectra, the cumulant expansion can give reliable results for localized systems, but fail to provide reliable spectra of the high-lying excited states of a delocalized system, when the system-bath coupling is large and the thermal energy is small. This paper also provides a simple golden-rule derivation of the MCFT, reviews existing methods, and motivates further developments in the subsequent papers.

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