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Phy Rev Lett:孙庆丰等基于DNA分子的自旋过滤器研究获进展

  1. DNA分子
  2. Phy Rev Lett
  3. 孙庆丰
  4. 研究
  5. 自旋过滤器
  6. 进展

来源:物理研究所 2012-11-18 11:32

众所周知,DNA是遗传物质。不同的生物体根据其特定的DNA序列合成特定的蛋白质,而表现出不同的遗传性状,于是造就了世界的多样性。由于其双螺旋结构和自组装性质,DNA的特性已引起了各国科学家的广泛关注,并成为多学科交叉领域的热点研究问题。 2011年,以色列Naaman小组和德国科学家合作进行了DNA作为自旋过滤器的实验。

众所周知,DNA是遗传物质。不同的生物体根据其特定的DNA序列合成特定的蛋白质,而表现出不同的遗传性状,于是造就了世界的多样性。由于其双螺旋结构和自组装性质,DNA的特性已引起了各国科学家的广泛关注,并成为多学科交叉领域的热点研究问题。

2011年,以色列Naaman小组和德国科学家合作进行了DNA作为自旋过滤器的实验。他们首先将很多条相同的DNA紧密地置于金表面上,然后利用紫外光使电子从金表面逸出,最后利用Mott偏振器检测透过DNA的光电子的极化性质。他们的研究结果表明:(1)透过单层双链DNA系统的电子会产生极化,自旋极化率达到60%。(2)自旋极化率随着双链DNA长度的增加而增大。(3)透过双链DNA的光电子的极化性质与入射光的偏振性基本无关。(4)单层的单链DNA系统对电子自旋不具有过滤效应。该研究小组还进一步作了如下实验:将单个双链DNA分子接在两个电极之间,直接测量该系统的电流-电压曲线,进一步证实了DNA分子能作为自旋过滤器的事实。他们的工作发表在Science 331, 894 (2011)和Nano Lett. 11, 4652 (2011)上。

最近,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)理论室博士后郭爱敏和研究员孙庆丰研究了DNA分子的自旋输运性质。他们考虑将单个DNA分子接在两个非磁性电极之间,给出了该系统的模型Hamiltonian,包括考虑自旋轨道耦合、退相干以及DNA的双螺旋结构。研究结果表明:(1)在存在退相干、螺旋和自旋轨道耦合的情况下,双链DNA分子具有较大的自旋极化率;并指出自旋极化流的产生是退相干、螺旋和自旋轨道耦合共同作用的结果,三者是缺一不可的。(2)双链DNA分子的自旋极化率会随着其长度的增加而增大。当双链DNA分子长度为80个碱基时,自旋极化率能超过60%;(3)单链DNA分子不能过滤电子自旋。这与上述实验结果完全符合。此外,他们还研究了自旋极化率与系统的各种参数关系,发现通过适当地增加双链DNA分子的螺旋度,自旋极化率可以显著增加。

这项工作阐明了DNA分子作为自旋过滤器的物理机制,给出了不同条件下DNA分子自旋过滤的效率,为将来进一步设计DNA分子自旋器件奠定了理论基础。该研究成果发表在Physical Review Letters 108,218102 (2012)上。

该研究工作得到国家自然科学基金委员会、科技部和中国科学院相关项目的资助。(生物谷Bioon.com)

PMC:

PMID:

Spin-Selective Transport of Electron in DNA Double Helix

Ai-Min Guo, Qing-feng Sun

The experiment that the high spin selectivity and the length-dependent spin polarization are observed in double-stranded DNA [Science ${\bf 331}$, 894 (2011)], is elucidated by considering the combination of the spin-orbit coupling, the environment-induced dephasing, and the helical symmetry. We show that the spin polarization in double-stranded DNA is significant even in the case of weak spin-orbit coupling, while no spin polarization appears in single-stranded DNA. Furthermore, the underlying physical mechanism and the parameters-dependence of the spin polarization are studied.

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