中科院物理所基于DNA分子的自旋過濾器研究取得進展

　*，DNA是遺傳物質。不同的生物體根據其特定的DNA序列合成特定的蛋白質，而表現出不同的遺傳性狀，于是造就了世界的多樣性。由于其雙螺旋結構和自組裝性質，DNA的特性已引起了各國科學家的廣泛關注，并成為多學科交叉領域的熱點研究問題。

　　2011年，以色列Naaman小組和德國科學家合作進行了DNA作為自旋過濾器的實驗。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偏振器檢測透過DNA的光電子的極化性質。他們的研究結果表明：（1）透過單層雙鏈DNA系統的電子會產生極化，自旋極化率達到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與入射光的偏振性基本無關。（4）單層的單鏈DNA系統對電子自旋不具有過濾效應。該研究小組還進一步作了如下實驗：將單個雙鏈DNA分子接在兩個電極之間，直接測量該系統的電流-電壓曲線，進一步證實了DNA分子能作為自旋過濾器的事實。他們的工作發表在Science 331, 894 （2011）和Nano Lett. 11, 4652 （2011）上。

　　zui近，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）理論室博士后郭愛敏和研究員孫慶豐研究了DNA分子的自旋輸運性質。雙鏈DNA分子的空間結構如圖1所示。他們考慮將單個DNA分子接在兩個非磁性電極之間，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隨著其長度的增加而增大，如圖3所示。當雙鏈DNA分子長度為80個堿基時，自旋極化率能超過60%；（3）單鏈DNA分子不能過濾電子自旋。這與上述實驗結果*符合。此外，他們還研究了自旋極化率與系統的各種參數關系，發現通過適當地增加雙鏈DNA分子的螺旋度，自旋極化率可以顯著增加。

　　這項工作闡明了DNA分子作為自旋過濾器的物理機制，給出了不同條件下DNA分子自旋過濾的效率，為將來進一步設計DNA分子自旋器件奠定了理論基礎。該研究成果發表在Physical Review Letters 108, 218102 （2012）上。

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