DNA分子和蛋白质分子的自旋输运性质研究

Because of recent progress on the spin-filtering effect of double-stranded DNA and single-helical protein, the spin transport properties of the biological molecules have attracted extensive attention among different scientific communities. On the basis of our previous works and experimental progress, we propose a project to investigate the spin transport properties of DNA molecule and protein molecule from the theoretical aspect. Our project includes: (1) the spin transport through double-stranded DNA by considering the sugar-phosphate backbone, the gene mutation, and so on; (2) the spin transport properties of single-helical protein by considering the molecular sequence, the temperature, and so on; (3) the proposing of a reasonable model Hamiltonian to simulate the spin transport along DNA derivatives. The aim of this project is to understand the underlying physical mechanism regarding the spin transport along some biological molecules and to explain the most recent experiments. What's more, we wish to improve the spin filtration efficiency of these biological molecules and to establish the relation between the spin transport parameters and the gene mutation. Therefore, this project is creative and has basic scientific value, and could also provide theoretical foundation to produce biological molecule-based spintronic devices.

最近，关于双螺旋DNA分子和单链螺旋蛋白质分子具有自旋过滤效应的实验引起了各国研究团队对生物分子自旋输运性质的广泛关注。基于我们的工作基础和相关的实验研究进展，本项目拟开展对DNA分子和蛋白质分子自旋输运性质的理论研究。具体包括：(1) 深入研究磷酸-五碳糖、基因突变等因素对双螺旋DNA分子自旋输运的影响；(2) 深入研究分子序列、温度等因素对单链螺旋蛋白质分子自旋输运的影响；(3) 构建合理的DNA衍生物自旋输运模型，研究其自旋输运性质。通过这些研究，能深入地了解有些生物分子自旋输运的物理机制，解释相关的实验现象，并寻找提高这些生物分子自旋过滤效率的途径以及建立自旋输运参数与基因突变的内在联系。该研究既有一定的创新性和基础科学价值，也为制备生物分子自旋器件提供理论依据。

近来，DNA、蛋白质等有机螺旋分子体系的量子输运性质引起了人们的广泛关注，特别是有机螺旋分子具有自旋过滤效应的研究成果。另外，拓扑绝缘体是目前凝聚态和材料物理最热门的研究领域之一。本项目以DNA分子、蛋白质分子等低维体系为研究对象，利用理论建模和数值计算方法研究了这些体系的自旋输运和拓扑性质。本项目主要研究内容包括：（1）蛋白质、螺烯和非手性分子等体系的自旋过滤效应；（2）DNA、蛋白质等有机螺旋分子体系的拓扑态和量子泵；（3）拓扑绝缘体等其他凝聚态体系的量子输运性质。通过本项目研究，所取得的主要成果包括：（1）研究了蛋白质分子和螺烯分子的自旋输运性质，解释了实验现象；预测非手性分子的自旋过滤效应，将自旋电子学研究推广到更一般的非手性分子体系；预测DNA、蛋白质等有机螺旋分子存在拓扑态，将拓扑态研究推广到生物和有机螺旋分子体系；研究了台阶缺陷对三维拓扑绝缘体表面态的影响；（2）在物理学重要期刊Physical Review B发表SCI论文11篇；（3）协助指导博士研究生1人次，已获得博士学位。总而言之，本项目的研究成果为设计新型自旋器件和分子器件提供了理论基础和新途径，具有重要的科学指导意义。