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理论模型可能有助于解决分子之谜

2019-02-12 19:44:53来源:

在实现低功耗电子设备方面,自旋电子学看起来很有前途。自旋是电子的量子力学特性,当电子绕自己的轴旋转时,可以最好地将其想象成电子,使它们像小罗盘针一样运转。电子自旋电流可用于电子设备。但是,要产生合适的自旋电流,需要一个相对较大的磁铁。已经提出了使用特殊类型分子的替代方法,但最大的问题是:它是否有效?格罗宁根大学博士学生徐阳构建了一个理论模型,描述了如何将这种新方法用于测试。

旋转可以有两个方向,通常指定为“向上”和“向下”。在正常的电子电流中,两个自旋方向的数量相等,但如果要使用自旋来传递信息,则需要一个方向的余量。这通常通过将电子通过铁磁体注入自旋电子器件来完成,这将有利于一种旋转的通过。“但与其他组件相比,铁磁体体积庞大,”杨说。

脱氧核糖核酸

这就是为什么2011年在“科学”杂志上发表的突破正引起越来越多的关注。“这篇论文描述了如何通过单层DNA双螺旋传递电流将有利于一种旋转。”DNA分子是手性的,这意味着它们可以以两种形式存在,这两种形式是彼此的镜像 - 如左手和右手。这种现象被称为手性诱导旋转选择性(CISS),并且在过去几年中,发表了几个实验,据称这些实验显示了这种CISS效应,即使在电子设备中也是如此。

“但我们并不那么确定,”杨解释说。一种类型的实验使用单层DNA片段,而另一种使用原子力显微镜测量通过单分子的电流。在实验中使用不同的手性螺旋。“解释为什么这些分子有利于其中一个旋转的模型做了很多假设,例如分子的形状和电子的路径。”

电路

因此,Yang开始创建一个通用模型,该模型可以描述在线性状态下旋转将如何通过不同的电路(即电子设备运行的方式)。“这些模型基于通用规则,与分子类型无关”,杨解释说。一个这样的规则是电荷守恒,它指出进入电路的每个电子最终应该离开它。第二个规则是互易性,它规定如果你交换电路中电压和电流触点的作用,信号应该保持不变。

接下来,Yang描述了这些规则如何影响不同组件中自旋的传输和反射,例如,两个触点之间的手性分子和铁磁体。通用规则使他能够计算这些组件中的旋转发生了什么。然后,他使用这些组件来模拟更复杂的电路。这使他能够计算出如果手性分子显示出CISS效应会发生什么,以及如果不这样做会有什么期望。

使人信服

当他模拟迄今为止发表的CISS实验时,杨发现有些实际上是不确定的。'这些实验不够令人信服。它们在有和没有CISS的分子之间没有显示出差异,至少在电子设备的线性状态下没有。此外,任何只使用两个触点的设备都无法证明CISS的存在。好消息是,Yang设计了具有四个触点的电路,这将使科学家能够检测电子设备中的CISS效应。“我目前正在开发这样一个电路,但由于它是由分子构建模块构成的,因此这是一个非常大的挑战。”

通过现在发布他的模型,杨希望更多的科学家将开始构建他提出的电路,并最终能够证明电子设备中存在CISS。“这将对社会做出巨大贡献,因为它可能为电子产品的未来提供一种全新的方法。”