科學(xué)家利用DNA折紙技術(shù)，以納米級(jí)精度和高產(chǎn)率在芯片上定位量子發(fā)射器。

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

由南京大學(xué)、斯科爾科沃科技學(xué)院和慕尼黑大學(xué)組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì)，通過(guò)將DNA納米技術(shù)與原子級(jí)薄層半導(dǎo)體相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了混合結(jié)構(gòu)。

他們的方法能夠以納米級(jí)精度可控地定位發(fā)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(zhuǎn)移到這些圖案化表面上，形成了固態(tài)單光子發(fā)射器陣列。這些發(fā)射器表現(xiàn)出穩(wěn)定的光學(xué)性能，包括納秒級(jí)壽命和最小的信號(hào)波動(dòng)。

通過(guò)調(diào)整DNA圖案的間距，該團(tuán)隊(duì)能夠控制形成的量子發(fā)射器的數(shù)量及其出現(xiàn)位置。這種確定性的定位水平是超越傳統(tǒng)制造方法的一大進(jìn)步，后者通常依賴(lài)于隨機(jī)缺陷形成，控制能力有限。

納米級(jí)精度

該系統(tǒng)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(dāng)硫醇與材料結(jié)合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)局域位點(diǎn)，能夠捕獲激子，從而實(shí)現(xiàn)明亮的單光子發(fā)射。這種機(jī)制支持高發(fā)射器密度和效率。

該團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱(chēng)，發(fā)射器定位的產(chǎn)率約為90%，平均定位精度約為13納米。這些發(fā)射器還表現(xiàn)出強(qiáng)大的光譜穩(wěn)定性，解決了早期設(shè)計(jì)中因閃爍和光漂白而降低性能的關(guān)鍵限制。

研究人員表示："我們通過(guò)硫醇分子的功能化來(lái)調(diào)控單層二硫化鉬的光學(xué)性質(zhì)，并利用DNA折紙定位技術(shù)將其精確地置于芯片表面。"他們補(bǔ)充說(shuō)，該系統(tǒng)形成了激子的捕獲位點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)低于確認(rèn)量子光源所需閾值的單光子發(fā)射。

邁向可擴(kuò)展芯片之路

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

該團(tuán)隊(duì)指出："我們實(shí)現(xiàn)了量子發(fā)射器約90%的定位產(chǎn)率，平均定位精度約為13納米，"并補(bǔ)充說(shuō)，這種方法能夠精確工程化二維材料的電子特性。該平臺(tái)還允許通過(guò)調(diào)整DNA模板中使用的分子數(shù)量和類(lèi)型進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)控。這可以提高光子純度，并實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的功能，包括手性量子光和混合無(wú)機(jī)-有機(jī)器件。

隨著量子技術(shù)向?qū)嶋H應(yīng)用部署邁進(jìn)，在芯片上可靠定位單光子發(fā)射器的能力將至關(guān)重要。這種DNA引導(dǎo)的方法為構(gòu)建緊湊、高性能的量子系統(tǒng)提供了一條切實(shí)可行的途徑。

該研究發(fā)表于《Light: Science & Applications》期刊。

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