手性与自旋—手性甲硫氨酸分子的自旋极化输运和光电流选择性

摘要：天津大学米文博课题组通过理论计算发现，在手性甲硫氨酸(R,S-MET)分子构成的隧道结内出现了完全自旋极化的光电流，电极的磁化排列可以作为切换自旋通道的开关。在特定的偏振光和电极磁化排列下，R,S-MET分子表现出手性诱导自旋选择性效应。该工作为生命科学和生物电子器件的开发提供了理论基础。

有机分子由于其长的自旋弛豫时间，在自旋电子学领域备受关注。由手性有机分子包裹的Fe3O4纳米粒子有效地抑制了水分解过程中副产物H2O2的形成。许多生物分子都具有手性中心，利用聚丙氨酸多肽的自组装单分子膜模拟生物膜实验预见了手性诱导自旋选择性效应在生命过程中的优势，手性与自旋的结合有望提高生物识别的准确性。随着手性诱导自旋选择性效应的提出，手性功能材料的自旋相关电子输运特性受到了广泛关注。研究发现，自旋相关电子输运特性可以由光场和磁场同时操纵。例如，手性寡肽杂化CdSe纳米颗粒的电荷转移可以通过铁磁性衬底的磁化方向来调控，光照可以作为手性分子自旋通道的开关。细菌视紫红质的D96N突变体的自旋过滤能力在光照下显著降低，为生物体内光调控电子自旋极化提供了依据。

综上，手性诱导的自旋选择性效应在推动自旋电子学器件革命的同时，也启发了人们对生命和地球的新一轮探索。核酸、蛋白质和多糖等多数生物大分子都表现出手性特征，在人体内分别倾向于呈现出右手螺旋、左手螺旋和右手螺旋状态。大自然倾向于筛选手性对映体的其中一种参与生命过程，这预示着生命中自旋与手性耦合的独特优势。因此，研究光、自旋、手性与磁场之间的相互作用在理解生命科学和生物电子器件开发等方面具有重要意义。

天津大学米文博教授课题组以R,S-MET分子为例，通过磁性隧道结模型和第一性原理量子输运计算方法研究了手性分子的自旋相关电子输运特，发现隧道磁电阻与自旋注入效率分别与MET分子的手性及偏置电压的大小和方向有关。通过调节光子能量和电极的磁化排列，R-MET分子可以输出不同自旋通道的光电流。当光子能量为4.5 eV时，R-MET分子与S-MET分子表现出相反的自旋输运特性，即在特定的偏振光和电极磁化排列下，R,S-MET分子显示出手性诱导自旋选择性效应。氨基酸的自旋相关输运特性及其在光和磁场下的调控对理解生物手性分子固有的光磁耦合具有重要意义，为生物传感器件的开发提供了理论支持。相关论文在线发表在Advanced Quantum Technologies上。

审核编辑 ：李倩