单链螺旋有机分子中自旋输运特性的理论研究

Since 2011 experiments found that double stranded-double helix DNA molecule is an effective spin filter, spin transport properties of DNA-like organic molecular system became a hot research focus in the front fields of physics, biologics and chemical etc.. The latest experimental and theoretical research results show that, single helical molecules can also become electronic spin filter, which inspired people’s great concern on spin transport properties and potential applications of various helical molecules. Our project select single-helical molecules as the research object, establish the theoretical model, which considering gate voltate, asymmetry, impurity doping, systematically study the effect of these factors on the spin transport properties of the system. Our study obtain the spin polarization by using the nonequilibrium Green function method, and propose methods for increasing the spin polarization through theoretical analysis and numerical calculation, including specific factors and the range of parameters. Finally, reveal the microscopic physical mechanism on the effects of spin filtration efficiency through the comparison of different factors, and provide theoretical basis for experimental design helical molecular spin devices.

自2011年实验上发现双链双螺旋DNA分子是有效的自旋过滤器以来，DNA类有机分子体系的自旋输运特性成为物理、生物和化学等多个学科前沿领域的研究热点。最新实验和理论研究结果表明，单链螺旋分子也可以成为电子自旋过滤器，这激发了人们对各种螺旋有机分子的自旋输运特性及潜在应用的极大关注。本项目选取单链螺旋有机分子为研究对象，建立起考虑外加门电压、不对称性、杂质掺杂因素的理论模型，系统地研究这些因素对体系自旋输运特性的影响。研究拟利用非平衡态格林函数方法得到体系的自旋极化率，通过理论分析和数值计算给出增大体系自旋极化率的方法（包括具体影响因素和参数范围）。最后通过比较考虑不同因素模型的自旋输运特性，揭示影响单链螺旋有机分子的自旋过滤效率的微观物理机制，并为实验上设计螺旋分子自旋器件提供理论依据。

自2011年实验上发现双链双螺旋DNA分子是有效的自旋过滤器以来，DNA类有机分子体系的自旋输运特性成为物理、生物和化学等多个学科前沿领域的研究热点。最新实验和理论研究结果表明，单链螺旋有机分子也可以成为电子自旋过滤器，这激发了人们对各种螺旋有机分子的自旋输运特性及潜在应用的极大关注。本项目选取单链螺旋有机分子为研究对象，建立考虑外加不同电极、连接两条独立的单链螺旋有机分子以及单链螺旋有机分子和一个量子点组成的量子环体系的理论模型，系统地研究相关因素对体系自旋输运特性的影响。该研究利用非平衡态格林函数方法得到体系的自旋极化率，通过理论分析和数值计算给出增大体系自旋极化率的方法（包括具体影响因素和参数范围）。结果表明，单链螺旋有机分子连接三个正常铁磁电极时，通过调节体系化学势的大小，可以使体系中自旋极化方向发生反转。体系的自旋极化强度和方向可以由嵌在链中间的电极位置来调控。这个重要的理论发现使得单链螺旋有机分子体系成为自旋电子学中设计自旋开关等电子器件前途光明的候选者。此外，左右两个电极同时连接两条独立的单链螺旋有机分子链时，发现通过改变两条单链的链长比值可以操控体系自旋极化强度及方向，而且当两条链的长度不同时，量子干涉效应会加强。改变单链螺旋有机分子和两端电极的耦合强度及穿过体系的磁通量也会使体系的自旋极化强度明显增强。研究还表明热电效应和热自旋效应在单链螺旋有机分子和一个量子点组成的量子环体系中十分明显，在量子环中引入磁通量后，热自旋效应相比热电效应显著增强。另外，电子输运过程中的自旋极化可以由通过量子环的局域磁通来调控。最后通过比较不同因素模型的自旋输运特性，揭示影响单链螺旋有机分子自旋过滤效率的微观物理机制，为实验上设计螺旋有机分子自旋器件提供理论依据。