Квантовые компьютеры и сети требуют стабильных источников одиночных фотонов, интегрированных в чипы. До сих пор их создавали случайно: дефекты в кристалле возникали где попало, и контролировать их расположение было невозможно. Учёные из Нанкинского университета, Сколковского института науки и технологий и Мюнхенского университета имени Людвига Максимилиана нашли способ взять этот процесс под контроль. Они объединили ДНК-нанотехнологии с атомарно тонкими полупроводниками — монослоями дисульфида молибдена (MoS₂).
В качестве шаблонов использовали треугольники ДНК-оригами. На них заранее размещали молекулы тиола в строго определённых местах. Затем на эту конструкцию переносили монослой MoS₂. Молекулы тиола связывались с вакансиями серы в полупроводнике, создавая ловушки для экситонов. Эти ловушки и становились источниками одиночных фотонов. Точность позиционирования достигла 13 нанометров — это в сотни раз меньше длины волны видимого света. Выход годных составил около 90 процентов. Излучатели показали стабильные оптические характеристики: время жизни в наносекундном диапазоне, минимальное мерцание и фотообесцвечивание.
Мы настраиваем оптические свойства монослоя MoS₂ посредством функционализации тиольными молекулами, точно расположенными на поверхности чипа с использованием метода размещения ДНК-оригами.
— поясняют авторы.
Важно, что метод совместим с масштабным производством. Технологию можно распространить на изготовление кремниевых пластин, что откроет путь к созданию интегрированных квантовых фотонных схем. Платформа позволяет дополнительно настраивать параметры, меняя тип и количество молекул в ДНК-шаблонах.
Работа опубликована в журнале Light: Science & Applications. Она демонстрирует, как биомолекулярная сборка может решить одну из ключевых проблем квантовой фотоники: из хаотических дефектов сделать детерминированные, точно размещённые и масштабируемые источники света. И всё это — на обычном чипе.
