DNA分子的熱電輸運研究：有望帶來新型熱電器件！

導讀

近日，中國礦業大學的科研人員從理論上揭示出，沿著雙鏈DNA(dsDNA)分子的熱電輸運的基本原理，為製造基於dsDNA 和其他有機分子的新型熱電器件開闢了新的途徑。

背景

近期，筆者為大家介紹了許多自旋電子學方面的科研進展。然而，作為自旋電子學的新分支，一門新興的前沿學科：自旋熱電子學（spin caloritronics）近些年來也引起了科學界的廣泛興趣。這門學科旨在探索：熱電流是如何輸運電子自旋的，或者說，熱與電子自旋及電荷相互作用的規律及其應用。

自旋熱電子學的熱電輸運是基於塞貝克效應（Seebeck effect）。在這種效應中，鐵磁體（FM）和非磁性金屬（NM）之間的溫差會導致產生出熱電電壓，在兩種金屬的接觸點處，將熱量直接轉化為電力。在金屬A和金屬B組成的迴路中，如果兩個接觸點的溫度不同，則迴路中將出現電流，我們稱之為熱電流。相應的電動勢稱為熱電勢，其方向取決於溫度梯度的方向。

（圖片來源：維基百科）

《自旋電子學新研究進展》一文中，筆者曾介紹過，美國加州大學河濱分校的研究人員通過加熱「鎳鐵導磁合金 - 硅」雙層的一側，製造出溫度梯度，在雙層中產生出一個電壓，這個電壓便是由「自旋塞貝克效應」（spin-Seebeck）引起的。

（圖片來源：加州大學河濱分校）

創新

近日，中國礦業大學的研究人員通過理論揭示出，沿著雙鏈DNA(dsDNA)分子的熱電輸運的基本原理。研究人員將他們的研究成果發表於美國物理聯合會（AIP）出版的《Applied Physics》雜誌。

技術

眾所周知，DNA可以作為一種導體或者半導體，大量的研究都試圖將DNA分子納入自旋電子器件中。但是，到目前為止，研究人員尚未探索出如何利用溫差控制dsDNA 分子中的自旋流。

研究人員採用非平衡格林函數法，研究了不同溫度下dsDNA分子熱誘導的自旋塞貝克效應。如下圖所示：(a) 三明治一般夾在NM與FM之間的dsDNA的幾何形狀。(b)右手dsDNA 的示意圖。(c)底部五個鹼基對的投影，x-y平面中的電場。

（圖片來源：Long Bai）

研究人員通過理論研究發現，dsDNA基器件可作為「自旋（電荷）塞貝克」二極體、開關、晶體管。Bai 表示：「我們已經發現由溫差驅動的自旋（電荷）塞貝克電流具有顯著的整流行為，因此可設計出自旋（電荷）塞貝克二極體。」

研究人員重點研究了作為自旋選擇濾波器使用的dsDNA
的固有手性特徵。手性一詞指一個物體不能與其鏡像相重合。如我們的雙手和雙腳，左手與互成鏡像的右手不重合，左腳與互成鏡像的右腳也不重合。

DNA 的相互纏繞的雙螺旋結構也具有手性。隨著溫度梯度驅使電子從較熱的鐵磁性物質向較冷的非鐵金屬移動，這種DNA結構使得電子向一個方向整齊排列。

中國礦業大學的研究人員、論文合著者之一 Long Bai 表示：「dsDNA 中的雙鏈不對稱性，會誘發更大的自旋極化輸運。然而，這並不意味著不對稱性使得電子以這樣或那樣的方式運動。」

研究人員發現，持續不斷增加dsDNA 的螺旋角，自旋（電荷）塞貝克模型能夠引起分子的雙鏈接近一種緊密對齊的狀態，降低手性並減弱自旋（電荷） 塞貝克效應。

Bai 說：「然而，值得注意的是，柵極電壓高度完美、電荷電流為零的純自旋流，代表著完美的自旋塞貝克效應。」

價值

Bai 表示：「我們的研究為製造基於dsDNA 和其他有機分子的新型熱電器件開啟了新的可能。」

自旋熱電子學的研究有望利用廢熱為下一代自旋電子學器件供電，這些自旋電子學器件包括：幾乎無需外部供電的超高速計算機、為細胞提供藥物的磁納米顆粒等等。

關鍵字

自旋電子學、溫差發電、DNA、節能

參考資料

【1】https://publishing.aip.org/publishing/journal-highlights/thermally-driven-spin-current-dna?TRACK=aipp-china

【2】https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5019753

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