31、果蝇体内电子自旋的自发射频发射：一种新型生物信号

果蝇体内电子自旋的自发射频发射：一种新型生物信号

1. 引言

1.1 手性诱导的自旋极化

研究发现，电子穿过手性相（如蛋白质、DNA 以及最近发现的导电细菌丝）时，会在运动方向上发生自旋极化。在需氧生物中，大的电子电流（如人类静止时约 100 A，1 毫克果蝇约 1 μA，均在约 1.4 V 电压下）将氧气还原为水，这些电流流经手性蛋白质，因此很可能发生自旋极化。

尽管自旋极化程度高达 90% 已在多种实验中得到证实，但导致极化的机制仍存在争议。最初认为电子在α - 螺旋骨架中紧密螺旋流动产生大磁场的观点目前看来不太可能正确，其他机制也被相继提出。目前尚不清楚自旋是被过滤还是被改变。若为过滤机制，错误自旋的电子无法通过手性相而被反射；若为改变机制，所有自旋进入手性相后会在通过时变得一致。

当电子离开手性相并弛豫到热平衡状态时，极化无法维持。这种弛豫部分可能以辐射方式进行，即伴随（微波）光子发射，但这需要存在各向异性。若传导电子的蛋白质是各向同性取向的，从外部观察者的角度看，自旋极化的电子仍会指向各个方向，从而表现为未极化。在磁场中实验观察到，与磁场同向流动的电子电流增加，反向流动的电流减少，这使得产生整体空间极化成为可能。

自旋与磁场的耦合较弱，约为 0.1 meV/T。由于热能量约为 25 meV，仅靠磁场实现完全极化需要超过 250 T 的磁场。相反，辐射弛豫到平衡态时发射的能量处于微波范围，对于 g 因子为 2 的自旋（自由电子或碳基自由基），发射频率为 28 GHz/T。与非碳原子相连的自旋具有更大的 g 因子，会在较低频率发射。

我们推测，由新陈代谢驱动的自旋极化（即无需外部能量输入）可能会扰乱体内自旋群体