Ett framväxande område som har genererat ett brett spektrum av intresse, spin kaloritronik, är en utlöpare av spintronik som utforskar hur värmeströmmar transporterar elektronspin. Spin caloritronics-forskare är särskilt intresserade av hur spillvärme kan användas för att driva nästa generations spintronic-enheter. Vissa av dessa potentiella enheter sträcker sig från ultrasnabba datorer som nästan inte behöver ström, till magnetiska nanopartiklar som levererar läkemedel till celler.

Den termiskt drivna transportapplikationen av spin-kaloritronik är baserad på Seebeck-effekten. I detta fenomen, temperaturskillnaden mellan en ferromagnet (FM) och en omagnetisk metall (NM) producerar en termoelektrisk spänning, och omvandlar värmen direkt till elektricitet i korsningen mellan de två materialen.

Nyligen, forskare från China University of Mining and Technology har teoretiskt exponerat de grundläggande aspekterna av denna termiska transport längs dubbelsträngade DNA (dsDNA)-molekyler. Forskarna rapporterade sina resultat i Journal of Applied Physics .

"Resultaten av vår forskning öppnar upp möjligheten att skapa nya funktionella termoelektriska enheter baserade på dsDNA och andra organiska molekyler, sa Long Bai, en forskare vid China University och en medförfattare till artikeln.

Det är känt att DNA beter sig som en ledare eller halvledare, och det har gjorts många studier på att införliva DNA-molekyler i spintroniska enheter. Men, tills nu, forskare har inte utforskat hur värmebias kan styra spinnströmmen i en dsDNA-molekyl.

Genom att använda nonequilibrium Greens funktionsmetod, forskare undersökte den värmeinducerade spin-Seebeck-transporten genom en dsDNA-molekyl inklämd mellan en FM-ledning och en NM-ledning under olika temperaturer. De upptäckte att deras teoretiska dsDNA-baserade enhet kan fungera som en spin (laddning)-Seebeck-diod, switch eller transistor.

"Vi har funnit att spinn (laddning)-Seebeck-strömmen som drivs av temperaturförspänning uppvisar ett betydande likriktande beteende, och därmed erhålls en spin(laddning)-Seebeck-diod, " sa Bai.

Forskarna fokuserade på den inneboende kiralitetsfunktionen i dsDNA som fungerar som ett filter för att möjliggöra spinnval. Chiralitet uppstår när en spegelbild av ett objekt inte kan läggas ovanpå — till exempel, händer och fötter.

DNA:s tvinnade dubbelhelixstruktur har kiralitet. Denna DNA-struktur riktar in elektroner i en riktning när temperaturgradienten driver elektronerna från det hetare ferromagnetiska materialet till den kallare icke-järnmetallen.

"Asymmetrin av de två strängarna i ett dsDNA kan inducera en större spin-polariserad transport, " sa Bai. "Men, det betyder inte att asymmetrin tillåter snurran att gå åt ena eller andra hållet."

Forskarna upptäckte att den oupphörliga ökningen av spiralvinkeln i deras dsDNA-spin-Seebeck-modell kan få de två strängarna i molekylen att närma sig ett tillstånd av nära anpassning, minska kiraliteten och försvaga spin(charge)-Seebeck-effekten.

"Dock, vad är anmärkningsvärt, "Bai sa, "är att ren spinnström med noll laddningsström kan uppnås när det gäller grindspänningen, som representerar den perfekta spin-Seebeck-effekten."