Received 22 June 2024; revised 9 August 2024; accepted 5 September
2024
Vilniaus universiteto
Fizikos fakulteto Cheminės fizikos institutas, Vilnius,
Lietuva
Įprasta molekulines sistemas tirti
artutiniame režime, naudojant trikdymų teoriją, kuri leidžia
apibrėžti ir pasitelkti atsako funkcijas. Tačiau jei trikdymų
eilutė lėtai konverguoja (arba diverguoja), spektrinių savybių
prigimtis gali būti klaidingai interpretuojama. Artutinis
trikdymų teorijos režimas gali netikti esant dideliam
žadinančio lauko intensyvumui. Vienas iš reiškinių,
pasireiškiančių su dideliu žadinimo intensyvumu yra
eksitono–eksitono anihiliacija (EEA). Tokio tipo uždavinius
galima spręsti naudojant netiesines eksitonų lygtis (NEL).
Kadangi tai yra begalinės lygčių hierarchijos, lygčių
hierarchijos „uždarymui“ būtina arba atmesti tam tikros eilės
lygčių narius, arba juos faktorizuoti, t. y. išreikšti
mažesnės eilės narių sandauga. Tai gali lemti netikėtus
rezultatus: lygčių sprendiniai gali diverguoti, atsirasti
nefizikiniai efektai. Šiame darbe aprašomos netiesinės
eksitonų lygtys su EEA nariais, naudojant skirtingas
faktorizavimo schemas didelio žadinimo režime, ir kaip tai
atsispindi sugerties spektre. Suskaičiuoti nuo žadinimo
intensyvumo priklausantys sugerties spektrai rodo, kad dėl
didelio žadinimo intensyvumo atsiranda papildomos sugerties
juostos, kurių padėtis stipriai priklauso nuo žadinimo
intensyvumo. Išsiaiškinta, kad spektrų elgsena labai jautri
nelyginės eilės narių faktorizavimui, bet lygtyse įmanoma
parinkti tokį faktorizavimo metodą, kuris atitiktų konkretų
eksperimentą. EEA labai pasitarnauja stabilizuojant
sprendinius, skirtumai tarp įvairių faktorizavimo schemų
susilpnėja. Tokiu būdu, naudojant NEL, galima sukurti labai
efektyvias modeliavimo metodikas, kurios tiktų įvairiems
matavimams.
References /
Nuorodos
[1] S. Mukamel,
Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy
(Oxford University Press, New York, 1995),
https://www.amazon.co.uk/Principles-Nonlinear-Optical-Spectroscopy-Sciences/dp/0195132912
[2] B. Brüggemann and T. Pullerits, Nonperturbative modeling of
fifth-order coherent multidimensional spectroscopy in light
harvesting antennas, New J. Phys.
13, 025024 (2011),
https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/2/025024
[3] V. Barzda, V. Gulbinas, R. Kananavicius, V. Cervinskas, H.
van Amerongen, R. van Grondelle, and L. Valkunas,
Singlet-singlet annihilation kinetics in aggregates and trimers
of LHCII, Biophys. J.
80, 2409 (2001),
https://doi.org/10.1016/S0006-3495(01)76210-8
[4] V. May, Kinetic theory of exciton-exciton annihilation, J.
Chem. Phys.
140, 054103 (2014),
https://doi.org/10.1063/1.4863259
[5] V. Bubilaitis, J. Hauer, and D. Abramavicius, Simulations of
pump probe spectra of a molecular complex at high excitation
intensity, Chem. Phys.
527, 110458 (2019),
https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2019.110458
[6] C.J. Bardeen, The structure and dynamics of molecular
excitons, Annu. Rev. Phys. Chem.
65, 127 (2014),
https://doi.org/10.1146/annurev-physchem-040513-103654
[7] J. Süß, J. Wehner, J. Dostál, T. Brixner, and V. Engel,
Mapping of exciton-exciton annihilation in a molecular dimer via
fifth-order femtosecond two-dimensional spectroscopy, J. Chem.
Phys.
150, 104304 (2019),
https://doi.org/10.1063/1.5086151
[8] V. Chernyak, W.M. Zhang, and S. Mukamel, Multidimensional
femtosecond spectroscopies of molecular aggregates and
semiconductor nanostructures: The nonlinear exciton equations,
J. Chem. Phys.
109, 9587 (1998),
https://doi.org/10.1063/1.477621
[9] V. Chernyak and S. Mukamel, Third-order optical response of
intermediate excitons with fractional nonlinear statistics, J.
Opt. Soc. Am. B
13, 1302 (1996),
https://doi.org/10.1364/JOSAB.13.001302
[10] V. Bubilaitis and D. Abramavicius, Compact modeling of
highly excited linear aggregates using generalized quantum
particles, Chem. Phys.
588, 112445 (2025),
https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2024.112445
[11] V. Bubilaitis and D. Abramavicius, Signatures of
exciton-exciton annihilation in 2DES spectra including up to
six-wave mixing processes, J. Chem. Phys.
161, 104106
(2024),
https://doi.org/10.1063/5.0223724
[12] V. Agranovich and B. Toshich, Collective properties of
Frenkel excitons, Sov. Phys. JETP
26, 104 (1968),
[PDF]
[13] V.M. Agranovich,
Excitations in Organic Solids,
transl. G. Czajkowski, International Series of Monographs on
Physics, Ser. No. v.142 (Oxford University Press Inc., Oxford,
2009),
https://doi.org/10.1093/acprof:oso/9780199234417.001.0001
[14] D. Abramavicius, B. Palmieri, D.V. Voronine, F. Šanda, and
S. Mukamel, Coherent multidimensional optical spectroscopy of
excitons in molecular aggregates; quasiparticle versus
supermolecule perspectives, Chem. Rev.
109, 2350 (2009),
https://doi.org/10.1021/cr800268
[15] L. Valkunas, D. Abramavicius, and T. Mančal,
Molecular
Excitation Dynamics and Relaxation (Wiley-VCH Verlag GmbH
& Co. KGaA, Weinheim, Germany, 2013),
https://doi.org/10.1002/9783527653652
[16] A.G. Redfield, On the theory of relaxation processes, IBM
J. Res. Dev.
1, 19 (1957),
https://doi.org/10.1147/rd.11.0019
[17] I. Coddington, W.C. Swann, and N.R. Newbury, Time-domain
spectroscopy of molecular free-induction decay in the infrared,
Opt. Lett.
35, 1395 (2010),
https://doi.org/10.1364/OL.35.001395
[18] D. Abramavicius, Y.-Z. Ma, M.W. Graham, L. Valkunas, and
G.R. Fleming, Dephasing in semiconducting single-walled carbon
nanotubes induced by exciton-exciton annihilation, Phys. Rev. B
79, 195445 (2009),
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.195445
[19] T. Kobayashi, ed.,
J-aggregates (World Scientific,
Singapore, 2012),
https://doi.org/10.1142/9789814365796
[20] B. Kriete, J. Lüttig, T. Kunsel, P. Malý, T.L.C. Jansen, J.
Knoester, T. Brixner, and M.S. Pshenichnikov, Interplay between
structural hierarchy and exciton diffusion in artificial light
harvesting, Nat. Commun.
10, 4615 (2019),
https://doi.org/10.1038/s41467-019-12345-9
[21] F. Milota, V.I. Prokhorenko, T. Mancal, H. von Berlepsch,
O. Bixner, H.F. Kauffmann, and J. Hauer, Vibronic and
vibrational coherences in two-dimensional electronic spectra of
supramolecular J-aggregates, J. Phys. Chem. A
117, 6007
(2013),
https://doi.org/10.1021/jp3119605
[22] J. Lüttig, S. Mueller, P. Malý, J. J. Krich, and T.
Brixner, Higher-order multidimensional and pump-probe
spectroscopies, J. Phys. Chem. Lett.
14(33), 7556
–7573 (2023),
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.3c01694