裸LH2薄膜和30°角腔的泵浦探测动力学(散射标记) ， 泵浦激发在785 nm (8.5 uJ/脉冲/cm2) ， 探头在875 nm和830 nm(插图显示前10 ps的动力学信号)和相应的c能量弛豫路径 。 实线是基于速率动力学模型的拟合结果 。
上图a给出了在875 nm处探测的动力学过程 ， 在875 nm处 ， 空腔样品的LP状态和裸B850带的红尾都在这里 。 在裸LH2薄膜的B850波段(灰色线)和强耦合系统的LP态(橙色线)均观察到基态漂白信号 。 我们注意到强耦合体系的寿命比裸LH2薄膜长得多 。 类似的行为在其他有机极化子系统中已经被报道过 ， 并被激子储层理论解释 。 图c显示了可能的能量弛豫路径 ， 假设该路径被强耦合产生的极声子态和暗态(DS)所修饰 。 使用基于速率的动力学模型对相应的动力学过程进行半量化 ， 我们将基态吸光度的瞬态偏移可能产生的影响最小化 ， 以简化拟合 。 裸体LH2薄膜和强耦合腔体样品在830 nm处的泵探针动力学如图b所示 。 对于裸LH2薄膜 ， 正信号对应于激发态吸收(ESA) 。 相比之下 ， 强耦合系统由于MP区域附近的Rabi劈裂收缩而观察到一个负信号 ， 这间接验证了极化子态的形成 。 图中显示在前几ps内动能信号上升 ， 这代表了能量从激发态B800到MP态的传递过程 。 比较两种情况下的动力学 ， 观察到在强耦合系统中衰减比在裸LH2膜中更快 。 我们将腔系统中更快的衰变归因于能量从MP到暗态的转移 。 如上所述 ， 基于态密度的参数 ， 这一转移步骤预期要比未耦合B850激发态的衰变快 。
总之 ， 首次证明了Fabry?Pérot金属光学腔与紫色细菌LH2的B850激子带之间的强耦合 ， Rabi劈裂为61 meV 。 泵浦探针光谱揭示了强耦合系统中与非耦合LH2膜中显著不同的激子动力学 。 当在830 nm探测时 ， 在强耦合体系中检测到负信号 ， 而非耦合LH2膜的正ESA信号则相反 。 观测结果可以用与极化子态形成一致的拉比收缩来解释 。 此外 ， 强耦合体系的寿命比裸LH2薄膜长得多 ， 证实了暗态对能量转移的重要作用 。 由于极化子态可以在空间和能量分离的激子种之间形成有效的能量弛豫途径 ， 进一步探索LH2s和RC之间可能的腔介导的能量传递将是非常有意义的 。
“我们在两个相距仅几百纳米的镜子之间插入了所谓的光合天线复合体 ， 作为一个光学微腔 ， 也可以说 ， 我们以一种囚禁的方式捕捉在镜子之间来回反射的光 。 ”隆德大学化学物理学教授T?nu Pullerits称道 。
【超快激光光谱技术—光合作用】
图示：两个镜子之间的五个天线复合体 。 镜子间的距离约为300纳米 。
借助彼此相隔几百纳米镜子科学家们已经成功地有效地利用光 。 这一发现可能有助于指导操控光合作用的第一步 。 从长远来看 ， 这可能用于将二氧化碳转化为人工光和材料 。 设计光合作用和人造材料通过监测腔的色散行为 ， 并将其与蛋白质中被激发的跃迁能量相关联 ， 验证了实验中产生的强耦合机制 。 根据该项目的论文 ， 由于LH2中极化子状态的产生 ， 激子动力学发生了实质性的变化 。 该项目表示 ， 光和天线复合物之间存在强相互作用 ， 可以产生涟漪效应 ， 从而加快能量传递过程 ， 开辟了调整整个光合作用链的不同阶段的前景 ， 以实现预期最终结果 。 一旦确定了预期的能量动态 ， 新的人工光合材料也可能出现 。 Pullerits说：“如果我们能使光合作用的第一步更快更有效 ， 我们希望在未来使其他系统的光能转换更有效 。 ”“我们已经迈出了漫长的过程中的几个初始步骤 ， 可以说我们已经找到了一个非常有希望的方向 。 ”飞秒泵探测光谱超快泵探头测量分别在两个内部建立的单色探头和宽带探头检测装置上执行 。 宽带飞秒泵浦探测是基于一个至日(光谱物理)放大激光系统进行的 ， 该系统以4 kHz重复率产生中心波长为796 nm的~60 fs脉冲 。 激光输出分为两部分 ， 分别产生泵浦光和探测光 。 泵浦光脉冲(以785 nm 100 fs为中心)由共线光参量放大器(TOPAS-C ， 光转换)产生 。 第二个TOPAS被用来产生1350 nm的脉冲 ， 聚焦在CaF2晶体上产生宽带白光探针 。 单色飞秒泵探头测量使用了以下设置46 。 一个放大飞秒激光系统(Pharos ， 光转换)工作在1030 nm ， 以1 kHz的重复频率提供200 fs的脉冲泵浦两个非共线光学参数放大器(NOPAs Orpheus-N ， 光转换) 。 其中一种用于产生以785 nm为中心的泵浦脉冲 ， 脉冲持续时间为100 fs 。 第二个NOPA分别在830 nm和870 nm处产生探针脉冲 ， 用于差分透射测量 。 在这两种设置中 ， 泵和探头脉冲几乎共线 。 探头相对于泵有一个机械延迟阶段的时间延迟 。 激光束和腔体是定向的 ， 使它们彼此成30°角 。 在这个角度下 ， 腔模与B850激子共振 。 探头脉冲的极化设置为TE模式 。 测量是在室温下进行的 。 为避免LH2膜中的杂散效应和激子-激子湮灭 ， 采用低能量(8.5 μJ/cm2/脉冲)泵浦脉冲记录信号 。 样品制备方法LH2光合物从先前报道的嗜酸Rhodoblastus acidophilus10050中分离出来 ， 分散在TL缓冲液中(0.1% LDAO 20 mM Tris 。 HCl pH 8.0) ， 并在?80°C作为原液存储 。 光学腔建立在玻璃基板(15 × 15 mm2)上 ， 分别在碱性溶液(0.5% Hellmanex在去离子水中 ， 15min)、去离子水(15min)、丙酮(15min)和异丙醇(15min)中连续超声清洗 ， 然后氧等离子体处理1min 。 随后 ， 采用真空溅射沉积(AJA Orion 5)的方法在玻璃衬底上沉积了厚度为22 nm的半透明金镜面 。 将PVA以70 mg/ml的浓度溶解在上述Tris缓冲液中 ， 制备活性聚合物层 。 然后用旋涡混合器将LH2原液与PVA水溶液按体积比5:3混合 ， 通过PVDF过滤器(孔径0.45 mm) 。 在混合溶液中加入氧清除剂以防止LH2的光氧化 。 混合溶液以1500转/分1分钟的速度旋涂(Laurell Technologies WS-650)到Au镜面镀膜玻璃基板上 。 然后 ， 通过真空溅射沉积在聚合物层的顶部沉积了第二个22 nm的金反射镜 。 制备的腔体在- 20°C的黑暗真空下保存 ， 以避免样品的任何氧化和任何老化 。 为了进行比较 ， 使用相同的混合溶液和参数在没有Au反射镜的清洁玻璃基板上旋转镀膜 ， 制备了裸LH2薄膜参考样品 。 稳态光谱用标准分光光度计(λ 950 Perkin Elmer)和附件测量所有稳态光谱 。 用可变角度附件记录了角度分辨透射光谱 。 利用普适反射附件获得角度分辨反射光谱 。 文章来源：https://optics.org/news/13/11/48https://www.nature.com/articles/s41467-022-34613-x
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