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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。
《 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 – 矽”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” 二極管、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）塞貝克二極管。 ”
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
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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