DNA分子のポーラロン伝導機構と量子計算アルゴリズムの開発

DNA分子极化子传导机制及量子计算算法发展

• 批准号: 16760002
• 负责人: 島 弘幸
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16760002/
• 关键词: 低次元電子系; 数値計算アルゴリズム; 量子局在; メゾスコピック系; 電気双極子相互作用; 低次元導体; 量子局在現象; 電気双極子間相互作用

生体分子であるDNAの電気的性質の解明は、ナノ・バイオ両テクノロジー分野に跨る最重要課題の一つである。実験技術の急速な進展により、微視的な(数nmの)電荷移動については、量子トンネルおよび熱的ホッピングという二つのメカニズムで説明できることがわかった。しかし、より長い空間領域(μm程度)にわたる電気伝導特性については、一連の実験結果が相互に矛盾しており、大まかな理解さえ程遠いのが現状である。その伝導機構を理論的に調べるためには、有機分子特有の様々な非線形相互作用とその競合効果を取り扱う必要がある。すなわちDNA伝導機構の解明には、現存の手法を超えた新しい理論手法の開拓が鍵となる。本研究の目的は、DNAに代表される低次元量子系の伝導特性を定量的に解析するための大規模量子計算アルゴリズムを開発し、DNA伝導機構に対する独自の多体理論を構築することにある。申請者は前年度までに、現実のDNA塩基配列を反映するポテンシャルランドスケープを数値的に再現し、そのポテンシャルの空間的乱れが系の電気伝導性に与える影響を、有限サイズスケーリングの手法により調べた。その結果、ポテンシャルの相関関数がべき乗則に従う場合に限り、一次元量子系はある臨界的乱れにおいて金属相から絶縁相への量子相転移を示すことが初めて明らかとなった。これを受けて本年度は、ポテンシャルの乱れの振幅と相関度合いを系統的に変化させた場合について、電気伝導度の変化を示す相図の構築に成功した。また、DNA特有のらせん構造の変形効果に関連して、系の有する非零曲率が系の臨界的性質にどのような影響を与えるかを独自の数値モデルに基づき考察した。今後はこれらの結果をもとに、格子変形を介してDNAの伝導性を制御するための新規なナノ技術開発を目指す予定である。

阐明 DNA（一种生物分子）的电特性是跨越纳米技术和生物技术领域的最重要问题之一。实验技术的快速进步表明，微观（几纳米）电荷转移可以通过两种机制来解释：量子隧道和热跳跃。然而，对于较长空间区域（微米量级）的导电特性，一系列实验结果相互矛盾，甚至距离普遍认识还很遥远。为了从理论上研究传导机制，需要处理有机分子特有的各种非线性相互作用及其竞争效应。换句话说，阐明DNA传导机制的关键是发展超越现有方法的新理论方法。本研究的目的是开发大规模量子计算算法来定量分析DNA等低维量子系统的传导特性，并构建独特的DNA传导机制的多体理论。到了前一年，申请人已经以数值方式再现了反映实际DNA碱基序列的电势景观，并使用有限尺寸缩放方法研究了电势的空间扰动对系统电导率的影响。首次揭示一维量子系统只有在势相关函数服从幂律时，在一定的临界扰动下才会表现出从金属相到绝缘相的量子相变。针对这一点，今年我们成功构建了一个相图，该相图显示了当潜在干扰的幅度和相关程度系统变化时电导率的变化。此外，针对DNA特有的螺旋结构的变形效应，我们基于原始数值模型研究了系统的非零曲率如何影响系统的临界性质。基于这些结果，我们计划开发新的纳米技术，通过晶格变形控制 DNA 电导率。

项目成果

Enhanced orientation of interacting polar molecules

增强相互作用极性分子的定向

• 发表时间: 2005
• 期刊: Microelectronics Journal Vol 36, No 3-6
• 作者: Shima H;Nakayama T
• 通讯作者: Nakayama T

Enhanced orientation of interacting quantum rotors

增强相互作用的量子转子的方向

• 发表时间: 2005
• 期刊: Microelectronics Journal (in press)
• 作者: Shima H;Nakayama T;H.Shima;H.Shima;H.Shima
• 通讯作者: H.Shima

Geometric effects on critical behaviours of the Ising model

• DOI: 10.1088/0305-4470/39/18/010
• 发表时间: 2005-11
• 期刊: Journal of Physics A
• 作者: H. Shima;Y. Sakaniwa

Glass-like behavior of crystalline Ge with O-impurities at low temperatures

含有 O 杂质的晶态 Ge 在低温下的玻璃状行为

• 发表时间: 2004
• 期刊: Physica status solidi c 1・9
• 作者: Shima H;Nakayama T;H.Shima;H.Shima;H.Shima;H.Shima;H.Shima;H.Shima;H.Shima
• 通讯作者: H.Shima

Curvature-induced shift in the dynamic exponent of the Ising model

曲率引起的伊辛模型动态指数变化

• 发表时间: 2006
• 期刊: Journal of Statistical Mechanics In press
• 作者: M. Mimura;et. al.;H.Yamamoto;Y.Hayasaki;H.Yamamoto;S.Matsumoto;Y.Hayasaki;早崎芳夫;早崎芳夫;J.J.Xiao;J.J.Xiao;J.J.Xiao;J.J.Xiao;H.Shima;W.J.Tian;J.P.Huang;W.J.Tian;J.J.Xiao;J.P.Huang;H.Shima
• 通讯作者: H.Shima