中科院自旋過(guò)濾器研究取得新突破

    　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(guò)濾器的實(shí)驗。他們首先將良多條相同的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，最后利用Mott偏振器檢測透過(guò)DNA的光電子的極化性質(zhì)。他們的研究結果表明：(1)透過(guò)單層雙鏈DNA系統的電子會(huì )產(chǎn)生極化，自旋極化率達到60%。(2)自旋極化率跟著(zhù)雙鏈DNA長(cháng)度的增加而增大。(3)透過(guò)雙鏈DNA的光電子的極化性質(zhì)與入射光的偏振性基本無(wú)關(guān)。(4)單層的單鏈DNA系統對電子自旋不具有過(guò)濾效應。該研究小組還進(jìn)一步作了如下實(shí)驗：將單個(gè)雙鏈DNA分子接在兩個(gè)電極之間，直接丈量該系統的電流-電壓曲線(xiàn)，進(jìn)一步證明了DNA分子能作為自旋過(guò)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。

       眾所周知，DNA是遺傳物質(zhì)。不同的生物體根據其特定的DNA序列合成特定的蛋白質(zhì)，而表現出不同的遺傳性狀，于是造就了世界的多樣性。因為其雙螺旋結構和自組裝性質(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)域的熱門(mén)研究題目。離心機

　　最近，中科院物理研究所/北京凝結態(tài)物理國家實(shí)驗室(籌)理論室博士后郭愛(ài)敏和研究員孫慶豐研究了DNA分子的自旋輸運性質(zhì)。雙鏈DNA分子的空間結構如圖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的雙螺旋結構。研究結果表明：(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 )跟著(zhù)其長(cháng)度的增加而增大，如圖3所示。當雙鏈DNA分子長(cháng)度為80個(gè)堿基時(shí)，自旋極化率能超過(guò)60%；(3)單鏈DNA分子不能過(guò)濾電子自旋。這與上述實(shí)驗結果完全符合。此外，他們還研究了自旋極化率與系統的各種參數關(guān)系，發(fā)現通過(guò)適當地增加雙鏈DNA分子的螺旋度，自旋極化率可以明顯增加。金相顯微鏡

　　該研究工作得到國家天然科學(xué)基金委員會(huì )、科技部和中國科學(xué)院相關(guān)項目的資助。

　　這項工作闡明了DNA分子作為自旋過(guò)濾器的物理機制，給出了不同前提下DNA分子自旋過(guò)濾的效率，為將來(lái)進(jìn)一步設計DNA分子自旋器件奠定了理論基礎。該研究成果發(fā)表在Physical Review Letters 108, 218102 (2012)上。

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