光合作用是地球上最重要的能量轉換過程。捕光天線蛋白負責捕獲光能并將其傳遞至反應中心，該過程的量子效率接近100%。由于水下透射光較弱，水下生存的藻類必須進化出與環境相適應的高效捕光和傳能機制。量子相干傳能被認為是一種優于經典傳能路徑的新機制，但捕光天線蛋白如何在室溫及生命環境中保持數百飛秒的長壽命的量子相干態一直備受關注，迫切需要在理論和實驗上給予雙重肯定。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心軟物質物理實驗室翁羽翔團隊（SM6組）從理論和實驗上證實別藻藍蛋白allophycocyanin (APC)中的α84-β84藻藍色素分子形成的激子對通過量子相位同步機制實現500飛秒的長壽命量子相干態（Zhu et al., Nat. Commun., 15, 3171, 2024），并證實色素扭曲構象導致藻藍蛋白phycocyanin 620 (PC620)中不存在色素激子對及量子相干態傳能（Wang et al., J. Chem. Phys., 161, 085101, 2024）。

本團隊在另外一種海藻捕光天線，即隱芽海藻捕光天線藻紅蛋白phycoerythrin 545 (PE545) 中，再一次利用二維電子態相干光譜證實了藻紅色素激子對（PEB 50/61C-PEB 50/61D）存在270飛秒的長壽命量子相干態。PE545包含八個色素，但僅存在一對激子耦合色素對。該色素對的耦合強度為92 cm-1，能級差為1080 cm-1，并存在與激子對能隙近共振的1150 cm-1振動模。不同色素的吸收光譜高度重疊，嚴重干擾了對PE545量子相干態的指認。本工作利用雙垂直交叉偏振瞬態光柵實驗證實近共振模1150 cm-1 參與激子—振動耦合相干態傳能。利用全平行偏振、激發態分辨的二維電子光譜，確認了PEB 50/61C-PEB 50/61D色素對的低能級激子態的相干態壽命約為270飛秒，而對照樣品PE545單體的相干態壽命僅為120飛秒。同時，近共振模1150cm-1僅在低能級激子態的動態斯托克斯位移相干光譜中消失，說明該振動模不參與低能級激子態的能量耗散，促進了長壽命的量子相干態的形成。本工作通過探究PE545中的量子相干傳能過程，揭示分子二聚體通過激子—振動耦合模的對稱分量和反對稱分量之間的相位同步，得到了長壽命的量子相干態。這是自然界應用量子力學抵御環境噪聲、優化傳能路徑的普適策略。

圖 ：(a) PE545量子相位同步模型；(b) PE545二聚體和單體的動態斯托克斯位移，波包平均壽命分別為270飛秒和120飛秒

該研究成果以 “Quantum phase synchronization revealing few-hundred femtosecond coherence in cryptophyte phycoerythrin 545 antenna from exciton-vibrational coupling”為題發表于The Journal of Chemical Physics。中國科學院物理研究所博士生王嘉鈺和物理所與松山湖材料實驗室聯合培養博士后鄒家定為共同第一作者，魯東大學蒲洋和物理研究所翁羽翔為通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金委和山東省自然科學基金委的大力支持。

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