單鍊螺旋蛋白質分子自旋過濾器

有機自旋電子學是一門研究電子自旋在有機分子中輸運行為的交叉學科，是近年來的熱點研究課題。2011年，Science上的一篇文章[Science 331, 894 (2011)]報道了生物大分子DNA具有高效的電子自旋過濾效率，即雙螺旋DNA分子能分辨自旋向上和自旋向下的電子；但在單螺旋DNA分子中，實驗沒有觀測到自旋過濾效應。随後，量子科學協同創新中心、beat365量子材料科學中心的孫慶豐教授和中科院物理所博士後郭愛敏提出一個模型哈密頓量描述了DNA分子的自旋輸運性質，完美地解說了上述實驗結果。他們的研究結果表明雙螺旋DNA分子是高效的電子自旋過濾器，并且它的自旋過濾效率随着其長度的增長而增大，而單螺旋DNA分子不能作為自旋過濾器。這項工作闡明了雙螺旋DNA分子作為自旋過濾器的物理機制，相應的研究成果發表在Phys. Rev. Lett. 108, 218102 (2012)。随後一篇綜述文章用一段話描述了他們的研究成果，其他研究組也廣泛采用他們的模型，激起了人們對DNA自旋電子學這一新興交叉學科的興趣。此外，孫慶豐教授和郭愛敏博士以及合作者們還研究了門電壓、DNA序列、基因突變和分子-電極接觸等因素對雙螺旋DNA分子自旋輸運性質的影響[Phys. Rev. B 89, 205434 (2014); 86, 115441 (2012); 86, 035424 (2012)]。

最近，孫慶豐教授和郭愛敏博士在分子自旋電子學領域又取得了重要進展。他們考慮将單螺旋分子接在兩個非磁性電極之間，提出一個模型哈密頓量（包括長程躍遷項）研究了該系統的自旋輸運性質。他們發現alpha-型單螺旋蛋白質是很好的電子自旋過濾器，電子自旋極化率達到36.2%，而單螺旋DNA不能有效地過濾電子自旋。這項研究成果解釋了美國科學院院刊PNAS上的實驗結果[PNAS 110, 14872 (2013)]以及Science上的實驗結果[Science 331, 894 (2011)]。他們的研究成果表明除了雙螺旋DNA分子外，有長程躍遷的單鍊螺旋分子也可以成為電子自旋過濾器。相比于最近鄰躍遷，當長程躍遷比較明顯時，單鍊螺旋分子能辨别電子自旋；當長程躍遷非常弱時，單鍊螺旋分子不能有效地過濾電子自旋。這項工作闡明了單鍊螺旋分子能夠成為電子自旋過濾器的物理機制，能激起人們從實驗和理論兩個方面去研究各種螺旋有機分子的自旋和電荷輸運性質，為将來設計螺旋分子自旋器件奠定了理論基礎。

這項工作得到國家自然科學基金委員會，科技部973計劃和博士後基金的支持。這一研究成果在線發表在PNAS[PNAS 111, 11658(2014), doi: 10.1073/pnas.1407716111]。

點擊本文圖片可見更加清晰顯示