中科院物理所基于DNA分子的自旋過濾器研究取得進(jìn)展

　*，DNA是遺傳物質(zhì)。不同的生物體根據(jù)其特定的DNA序列合成特定的蛋白質(zhì)，而表現(xiàn)出不同的遺傳性狀，于是造就了世界的多樣性。由于其雙螺旋結(jié)構(gòu)和自組裝性質(zhì)，DNA的特性已引起了各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注，并成為多學(xué)科交叉領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題。

　　2011年，以色列Naaman小組和德國科學(xué)家合作進(jìn)行了DNA作為自旋過濾器的實(shí)驗(yàn)。他們首先將很多條相同的DNA緊密地置于金表面上，然后利用紫外光使電子從金表面逸出，zui后利用Mott偏振器檢測(cè)透過DNA的光電子的極化性質(zhì)。他們的研究結(jié)果表明：（1）透過單層雙鏈DNA系統(tǒng)的電子會(huì)產(chǎn)生極化，自旋極化率達(dá)到60%。（2）自旋極化率隨著雙鏈DNA長度的增加而增大。（3）透過雙鏈DNA的光電子的極化性質(zhì)與入射光的偏振性基本無關(guān)。（4）單層的單鏈DNA系統(tǒng)對(duì)電子自旋不具有過濾效應(yīng)。該研究小組還進(jìn)一步作了如下實(shí)驗(yàn)：將單個(gè)雙鏈DNA分子接在兩個(gè)電極之間，直接測(cè)量該系統(tǒng)的電流-電壓曲線，進(jìn)一步證實(shí)了DNA分子能作為自旋過濾器的事實(shí)。他們的工作發(fā)表在Science 331, 894 （2011）和Nano Lett. 11, 4652 （2011）上。

　　zui近，中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室（籌）理論室博士后郭愛敏和研究員孫慶豐研究了DNA分子的自旋輸運(yùn)性質(zhì)。雙鏈DNA分子的空間結(jié)構(gòu)如圖1所示。他們考慮將單個(gè)DNA分子接在兩個(gè)非磁性電極之間，給出了該系統(tǒng)的模型Hamiltonian，包括考慮自旋軌道耦合、退相干以及DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明：（1）在存在退相干、螺旋和自旋軌道耦合的情況下，雙鏈DNA分子具有較大的自旋極化率；并指出自旋極化流的產(chǎn)生是退相干、螺旋和自旋軌道耦合共同作用的結(jié)果，三者是缺一不可的（如圖2所示）。（2）雙鏈DNA分子的自旋極化率會(huì)隨著其長度的增加而增大，如圖3所示。當(dāng)雙鏈DNA分子長度為80個(gè)堿基時(shí)，自旋極化率能超過60%；（3）單鏈DNA分子不能過濾電子自旋。這與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果*符合。此外，他們還研究了自旋極化率與系統(tǒng)的各種參數(shù)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)通過適當(dāng)?shù)卦黾与p鏈DNA分子的螺旋度，自旋極化率可以顯著增加。

　　這項(xiàng)工作闡明了DNA分子作為自旋過濾器的物理機(jī)制，給出了不同條件下DNA分子自旋過濾的效率，為將來進(jìn)一步設(shè)計(jì)DNA分子自旋器件奠定了理論基礎(chǔ)。該研究成果發(fā)表在Physical Review Letters 108, 218102 （2012）上。

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