手性與自旋—手性甲硫氨酸分子的自旋極化輸運(yùn)和光電流選擇性

摘要：天津大學(xué)米文博課題組通過(guò)理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在手性甲硫氨酸(R,S-MET)分子構(gòu)成的隧道結(jié)內(nèi)出現(xiàn)了完全自旋極化的光電流，電極的磁化排列可以作為切換自旋通道的開關(guān)。在特定的偏振光和電極磁化排列下，R,S-MET分子表現(xiàn)出手性誘導(dǎo)自旋選擇性效應(yīng)。該工作為生命科學(xué)和生物電子器件的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

有機(jī)分子由于其長(zhǎng)的自旋弛豫時(shí)間，在自旋電子學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注。由手性有機(jī)分子包裹的Fe3O4納米粒子有效地抑制了水分解過(guò)程中副產(chǎn)物H2O2的形成。許多生物分子都具有手性中心，利用聚丙氨酸多肽的自組裝單分子膜模擬生物膜實(shí)驗(yàn)預(yù)見了手性誘導(dǎo)自旋選擇性效應(yīng)在生命過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)，手性與自旋的結(jié)合有望提高生物識(shí)別的準(zhǔn)確性。隨著手性誘導(dǎo)自旋選擇性效應(yīng)的提出，手性功能材料的自旋相關(guān)電子輸運(yùn)特性受到了廣泛關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，自旋相關(guān)電子輸運(yùn)特性可以由光場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)操縱。例如，手性寡肽雜化CdSe納米顆粒的電荷轉(zhuǎn)移可以通過(guò)鐵磁性襯底的磁化方向來(lái)調(diào)控，光照可以作為手性分子自旋通道的開關(guān)。細(xì)菌視紫紅質(zhì)的D96N突變體的自旋過(guò)濾能力在光照下顯著降低，為生物體內(nèi)光調(diào)控電子自旋極化提供了依據(jù)。

綜上，手性誘導(dǎo)的自旋選擇性效應(yīng)在推動(dòng)自旋電子學(xué)器件革命的同時(shí)，也啟發(fā)了人們對(duì)生命和地球的新一輪探索。核酸、蛋白質(zhì)和多糖等多數(shù)生物大分子都表現(xiàn)出手性特征，在人體內(nèi)分別傾向于呈現(xiàn)出右手螺旋、左手螺旋和右手螺旋狀態(tài)。大自然傾向于篩選手性對(duì)映體的其中一種參與生命過(guò)程，這預(yù)示著生命中自旋與手性耦合的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，研究光、自旋、手性與磁場(chǎng)之間的相互作用在理解生命科學(xué)和生物電子器件開發(fā)等方面具有重要意義。

天津大學(xué)米文博教授課題組以R,S-MET分子為例，通過(guò)磁性隧道結(jié)模型和第一性原理量子輸運(yùn)計(jì)算方法研究了手性分子的自旋相關(guān)電子輸運(yùn)特，發(fā)現(xiàn)隧道磁電阻與自旋注入效率分別與MET分子的手性及偏置電壓的大小和方向有關(guān)。通過(guò)調(diào)節(jié)光子能量和電極的磁化排列，R-MET分子可以輸出不同自旋通道的光電流。當(dāng)光子能量為4.5 eV時(shí)，R-MET分子與S-MET分子表現(xiàn)出相反的自旋輸運(yùn)特性，即在特定的偏振光和電極磁化排列下，R,S-MET分子顯示出手性誘導(dǎo)自旋選擇性效應(yīng)。氨基酸的自旋相關(guān)輸運(yùn)特性及其在光和磁場(chǎng)下的調(diào)控對(duì)理解生物手性分子固有的光磁耦合具有重要意義，為生物傳感器件的開發(fā)提供了理論支持。相關(guān)論文在線發(fā)表在Advanced Quantum Technologies上。

審核編輯 ：李倩