DNA折紙技術實現芯片上量子光源定位精度達90%

科學家利用DNA折紙技術，以納米級精度和高產率在芯片上定位量子發射器。

研究人員展示了一種利用DNA折紙技術在芯片上精確定位量子光源的新方法，為通往可擴展的量子器件提供了一條潛在路徑。該方法解決了在構建用于量子通信和計算的可靠單光子發射器方面長期存在的挑戰。

由南京大學、斯科爾科沃科技學院和慕尼黑大學組成的國際團隊，通過將DNA納米技術與原子級薄層半導體相結合，設計出了混合結構。

他們的方法能夠以納米級精度可控地定位發射器。研究人員使用嵌入硫醇分子的DNA折紙三角形作為可編程模板。隨后，他們將單層二硫化鉬轉移到這些圖案化表面上，形成了固態單光子發射器陣列。這些發射器表現出穩定的光學性能，包括納秒級壽命和最小的信號波動。

通過調整DNA圖案的間距，該團隊能夠控制形成的量子發射器的數量及其出現位置。這種確定性的定位水平是超越傳統制造方法的一大進步，后者通常依賴于隨機缺陷形成，控制能力有限。

納米級精度

該系統的核心在于硫醇分子與二硫化鉬中硫空位之間的相互作用。當硫醇與材料結合時，會產生一個局域位點，能夠捕獲激子，從而實現明亮的單光子發射。這種機制支持高發射器密度和效率。

該團隊報告稱，發射器定位的產率約為90%，平均定位精度約為13納米。這些發射器還表現出強大的光譜穩定性，解決了早期設計中因閃爍和光漂白而降低性能的關鍵限制。

研究人員表示："我們通過硫醇分子的功能化來調控單層二硫化鉬的光學性質，并利用DNA折紙定位技術將其精確地置于芯片表面。"他們補充說，該系統形成了激子的捕獲位點，并實現了遠低于確認量子光源所需閾值的單光子發射。

邁向可擴展芯片之路

除性能外，可擴展性仍然至關重要。目前的工作展示了概念驗證，但這種制造策略與更大規模的制造工藝兼容。研究人員表示，他們的方法可以擴展到晶圓級生產，為集成量子光子電路開辟了道路。

該團隊指出："我們實現了量子發射器約90%的定位產率，平均定位精度約為13納米，"并補充說，這種方法能夠精確工程化二維材料的電子特性。該平臺還允許通過調整DNA模板中使用的分子數量和類型進行進一步調控。這可以提高光子純度，并實現更高級的功能，包括手性量子光和混合無機-有機器件。

隨著量子技術向實際應用部署邁進，在芯片上可靠定位單光子發射器的能力將至關重要。這種DNA引導的方法為構建緊湊、高性能的量子系統提供了一條切實可行的途徑。

該研究發表于《Light: Science & Applications》期刊。

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