NB
Niels Breckwoldt
Author with expertise in Molecular Mechanisms of Photosynthesis and Photoprotection
Achievements
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
2
(50% Open Access)
Cited by:
4
h-index:
4
/
i10-index:
2
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
3

Single-femtosecond atomic-resolution observation of a protein traversing a conical intersection

Ahmad Hosseinizadeh et al.Nov 15, 2020
The structural dynamics of a molecule are determined by the underlying potential energy landscape. Conical intersections are funnels connecting otherwise separate energy surfaces. Posited almost a century ago 1 , conical intersections remain the subject of intense scientific investigation 2–4 . In biology, they play a pivotal role in vision, photosynthesis, and DNA stability 5,6 . In ultrafast radiationless de-excitation 1,7 , they are vital to ameliorating photon-induced damage. In chemistry, they tightly couple the normally separable nuclear and electronic degrees of freedom, precluding the Born-Oppenheimer approximation 8 . In physics, they manifest a Berry phase, giving rise to destructive interference between clockwise and anti-clockwise trajectories around the conical intersection 9 . Accurate theoretical methods for examining conical intersections are at present limited to small molecules. Experimental investigations are challenged by the required time resolution and sensitivity. Current structure-dynamical understanding of conical intersections is thus limited to simple molecules with around 10 atoms, on timescales of about 100 fs or longer 10 . Spectroscopy can achieve better time resolution, but provides only indirect structural information. Here, we present single-femtosecond, atomic-resolution movies of a 2,000-atom protein passing through a conical intersection. These movies, extracted from experimental data by geometric machine learning, reveal the dynamical trajectories of de-excitation via a conical intersection, yield the key parameters of the conical intersection controlling the de-excitation process, and elucidate the topography of the electronic potential energy surfaces involved.
0

Theoretical framework for serial femtosecond crystallography in the presence of non-Born-Oppenheimer effects

Mayank Vashistha et al.Nov 25, 2024
Serial femtosecond crystallography (SFX) is a powerful technique for studying ultrafast structural dynamics in matter. However, the analysis of SFX data is challenging and would benefit from a systematic theoretical framework. By employing a quantum-electrodynamics approach, we demonstrate that conventional SFX practices are not only intuitively plausible but also firmly grounded in well-established principles. We show that standard SFX assumptions remain valid even when non-Born-Oppenheimer effects near conical intersections are significant. Through a modal decomposition of diffraction signals in reciprocal space, we derive a corresponding decomposition of the electron density in real space, valid in the limit of small pump excitation probability. This result justifies a key assumption made in a recent study [A. Hosseinizadeh , ]. Remarkably, we find that the number of structural modes contributing to the SFX signal near conical intersections depends solely on the number of electronic states involved, regardless of the number of nuclear degrees of freedom. Our work establishes a foundation for accelerating the structural inversion of time-resolved SFX data and provides a rigorous theoretical basis for interpreting ultrafast structural dynamics. Published by the American Physical Society 2024