DNA puts a new spin on electrons

最近,来自于以色列和德国的物理学家利用DNA双链结构,发展了一种新型高效的电子自旋过滤方法,工作效率相比于磁基自旋过滤器(magnet-based spin filters)提高了三倍以上。利用此技术,可以设计新型的自旋电子电路(spintronic circuits),即同时利用电子的自旋与电荷来存储与处理信息。同时也有助于帮助人们更好理解自旋在生物过程中可能发挥的作用。

自旋电子学(spintronics)在创建更高速、更节能的电路元件方面比标准半导体器件拥有更大的潜力。这是因为相比于生成电流而言,输运和改变自旋所需的能量要远少得多。而产生自旋是很容易的事,这在铁磁性金属环境中就可实现。唯一的挑战是,如何提取自旋来形成一个自旋极化的电流,然后注入到电路中并保持极化在沿途不发生退化。

目前,科学家一般利用根据巨磁阻效应(giant magnetoresistance, GMR)建造的过滤器来极化电子束流。此装置由磁性物质与非磁性物质材料层交替相叠组成,并置于磁场中,未极化的电子流通过材料而产生极化。原则上,只有自旋“向上”的电子才能通过过滤器,而实际装置产生的电子流并未完全极化,仍有相当一部分自旋“向下”的电子存在。

图示为双链DNA单分子膜制成的自旋过滤器(monolayer of dsDNA as spin filter)。使用线偏振激光光源照射金基底释放出未极化的电子流,在穿过DNA后大多数电子的自旋反平行于其速度方向排列(标记为左旋),而其余未穿越的电子则被DNA俘获并在两次激光脉冲间的时间周期内被反射回材料基底。


DNA的密林

现在,以色列Weizmann研究所的Ron Naaman以及德国明斯特大学(University of Münster)的科学家发现,将自由电子通过一个表面覆盖有DNA双链密集层的金表面,在室温下可以实现60%的电子自旋极化率。通常,DNA分子无法粘着于金表面,因此研究人员将每条链的一个末端以硫化合物处理使其粘附,结果是形成了一片扎根于金表面的高大茂密的DNA链“森林”。

研究人员接着将一束激光照射到材料表面,通过光电效应释放出电子。其中的一部分电子穿过DNA“森林”后,注入一个可以测量其自旋极化率的仪器中。研究小组使用线偏振激光光源进行了实验,这释放出未极化的电子。而在通过DNA双链密集层后,多达60%的电子发生了极化。

越长越好

研究人员发现,极化率大小明显由DNA链的长度决定——80个碱基对长度的DNA链产生了60%的极化率,而25个碱基对长度所致的极化率只达到10%。该小组还发现,当金表面DNA链的覆盖很稀疏时,过滤器根本不工作,这表明电子是通过与DNA链构成的网格相互作用发生极化,而非与单独的链作用。

除以上结论外,研究人员尚未确定这种效应发生的具体原因,有可能与DNA双螺旋结构的“旋向性”(handedness)或“手征性”(chirality)相关。虽然其他物理学家已经证明,电子通过手性分子蒸气会影响其自旋极化。但相较于DNA链实验给出的极化率而言,此效应的影响微不足道。实际上,根据Naaman的解释,在手性分子蒸气过程中起作用的主要是自旋—轨道耦合相互作用,这显然太弱而无法解释当前的实验结果。

为此,法国图卢兹CRNS强磁场实验室的Geert Rikken推测,其效应可能是一种“类布拉格共振”(Bragg-like resonance),这是由于电子的德布罗意波长(De Broglie wavelength)与DNA链的晶格间距接近相同时发生的衍射效应。他指出,由于布拉格衍射效应,在同样具有螺旋结构的胆甾相液晶(cholesteric liquid crystals)中也观察到了类似的光子自旋滤波。为了深入理解过滤器中起作用的物理机制,研究小组现在正在仔细研究电子在穿越DNA链过程中的极化情况,此前这一部分没有作测量。

DNA的优点

展望未来,Naaman认为基于DNA等有机材料制成的自旋装置提供了很多好处。其一,由于自旋—轨道耦合强度小得多,以及自旋极少可能与材料中的振动模式相互作用,自旋极化流在此类材料中的移动距离要比金属材料中更长。另一优点是,DNA末端可以用广泛的化学物质来修改,这让DNA装置与自旋电子电路连接变得可能,也保证了自旋极化在连接时不发生退化。

然而,Rikken对此工作则持更谨慎的态度。“我不认为DNA薄膜将是一种受欢迎的自旋电子元件的组成部分。”但他确实认为可能发现其他的手性结构来应用于自旋电子学应用中,前提是确认手征性就是自旋过滤发生的机制。

除自旋电子学外,DNA对电子自旋具有很强的影响这一发现也表明,自旋相互作用也可能在一些生物过程中发挥作用。事实上,Naaman认为研究生物分子的自旋有助于揭示目前知之甚少的发生在自然界的低能生化过程。

原文作者:Hamish Johnston(physicsworld.com编辑)
原文地址:http://physicsworld.com/cws/article/news/45152

科学杂志相关文献:
1. “Spin Selectivity in Electron Transmission Through Self-Assembled Monolayers of Double-Stranded DNA”, Science 331 (6019) 894-897.
http://dx.doi.org/10.1126/science.1199339
2. “A New Twist on Spintronics”, Science 331 (6019) 864-865.
http://dx.doi.org/10.1126/science.1201663

本文由银河双子星编译

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