Erbgut als Spin-Filter

Ob Elektronen ein DNA-Molekül durchdringen können, hängt von der Orientierung ihres Spins ab - neue Möglichkeiten für die Spintronik

Spin-Filter
Spin-Filter

Münster/Rehovot (Israel) - Der Spin eines Elektrons kann nur einen von zwei Werten haben - in einem binären System könnte man sie als 0 und 1 bezeichnen. Diese Eigenschaft wollen Forscher ausnutzen, um kleinere, effizientere Rechner zu bauen. Doch um mit der so genannten Spintronik logische Operationen ausführen zu können, müssen sie eine Quelle finden, die bei Raumtemperatur Elektronen mit der gewünschten quantenmechanischen Ausrichtung liefert. Wissenschaftler der Universität Münster und des Weizmann Institute of Science in Israel haben dafür eine mögliche Lösung gefunden: doppelsträngige DNA-Moleküle als Spin-Filter.

Das Team löste mit Laserstrahlen Elektronen aus einer dünnen Goldschicht. Ihre Spins zeigten zu diesem Zeitpunkt keine bevorzugte Orientierung. Anschließend flogen die Elektronen durch eine selbstorganisierte Schicht von doppelsträngiger DNA mit einer Dicke von 20 Nanometern. Als die Forscher nun die Spins mit einem Polarimeter kontrollierten, zeigte sich, dass die "Spinpolarisierung" um 60 Prozent zugenommen hatte: Die meisten Elektronen besaßen nun einen Spin, der entgegen ihrer Flugrichtung ausgerichtet war. Teilchen mit einem Spin entlang der Flugachse konnten die Molekülketten offenbar nur schwer durchdringen und wurden so rausgefiltert. Ein ähnlicher Effekt ließ sich bereits mit anderen Materialien wie zum Beispiel Ferromagneten erzeugen, doch deren Selektivität lag nur bei etwa 25 Prozent.

Wie gut das Erbgutmokül DNA filtert, hängt von der Organisation der Moleküle ab. Bei einsträngiger DNA konnte gar kein Effekt gemessen werden, da sich die einzelne Stränge nicht zu einer dicht gepackten Schicht anordnen. Außerdem war die Selektivität bei längeren Doppelsträngen höher als bei kürzeren. Welche Mechanismen die DNA zu einem Spin-Filter machen, ist noch nicht genau geklärt. Die Forschergruppe schlägt deshalb vor, die Wechselwirkung von Elektronen und ihren Spins mit DNA und anderen chiralen Molekülen weiter zu untersuchen. Chirale Moleküle haben eine bestimmte Symmetrie, bei der sich Bild und Spiegelbild nicht in einer Ebene zur Deckung bringend lassen, genau wie linke und rechte Hand nicht übereinander passen, wenn beide Handteller in die gleiche Richtung zeigen.