单链螺旋蛋白质分子自旋过滤器

有机自旋电子学是一门研究电子自旋在有机分子中输运行为的交叉学科，是近年来的热点研究课题。2011年，Science上的一篇文章[Science 331, 894 (2011)]报道了生物大分子DNA具有高效的电子自旋过滤效率，即双螺旋DNA分子能分辨自旋向上和自旋向下的电子；但在单螺旋DNA分子中，实验没有观测到自旋过滤效应。随后，量子科学协同创新中心、北京大学量子材料科学中心的孙庆丰教授和中科院物理所博士后郭爱敏提出一个模型哈密顿量描述了DNA分子的自旋输运性质，完美地解说了上述实验结果。他们的研究结果表明双螺旋DNA分子是高效的电子自旋过滤器，并且它的自旋过滤效率随着其长度的增长而增大，而单螺旋DNA分子不能作为自旋过滤器。这项工作阐明了双螺旋DNA分子作为自旋过滤器的物理机制，相应的研究成果发表在Phys. Rev. Lett. 108, 218102 (2012)。随后一篇综述文章用一段话描述了他们的研究成果，其他研究组也广泛采用他们的模型，激起了人们对DNA自旋电子学这一新兴交叉学科的兴趣。此外，孙庆丰教授和郭爱敏博士以及合作者们还研究了门电压、DNA序列、基因突变和分子-电极接触等因素对双螺旋DNA分子自旋输运性质的影响[Phys. Rev. B 89, 205434 (2014); 86, 115441 (2012); 86, 035424 (2012)]。

最近，孙庆丰教授和郭爱敏博士在分子自旋电子学领域又取得了重要进展。他们考虑将单螺旋分子接在两个非磁性电极之间，提出一个模型哈密顿量（包括长程跃迁项）研究了该系统的自旋输运性质。他们发现alpha-型单螺旋蛋白质是很好的电子自旋过滤器，电子自旋极化率达到36.2%，而单螺旋DNA不能有效地过滤电子自旋。这项研究成果解释了美国科学院院刊PNAS上的实验结果[PNAS 110, 14872 (2013)]以及Science上的实验结果[Science 331, 894 (2011)]。他们的研究成果表明除了双螺旋DNA分子外，有长程跃迁的单链螺旋分子也可以成为电子自旋过滤器。相比于最近邻跃迁，当长程跃迁比较明显时，单链螺旋分子能辨别电子自旋；当长程跃迁非常弱时，单链螺旋分子不能有效地过滤电子自旋。这项工作阐明了单链螺旋分子能够成为电子自旋过滤器的物理机制，能激起人们从实验和理论两个方面去研究各种螺旋有机分子的自旋和电荷输运性质，为将来设计螺旋分子自旋器件奠定了理论基础。

这项工作得到国家自然科学基金委员会，科技部973计划和博士后基金的支持。这一研究成果在线发表在PNAS[PNAS 111, 11658(2014), doi: 10.1073/pnas.1407716111]。

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