Международная группа исследователей под руководством учёных из Сколтеха нашла способ с беспрецедентной точностью размещать молекулы на поверхности сверхтонких материалов с использованием молекулярной самосборки ДНК, чтобы создавать источники квантового света. Результаты, опубликованные в журнале Light: Science & Applications, открывают путь к производству компактных и эффективных компонентов для будущих квантовых компьютеров и защищённых линий связи.

Двумерные материалы, такие как дисульфид молибдена, перспективны для создания квантовых источников света благодаря своей способности излучать фотоны при лазерном возбуждении. Однако до сих пор учёные не могли точно контролировать расположение излучающих центров — они возникали случайным образом при облучении материала ионными пучками или механической деформации.

Авторы работы предложили иной подход. В основе исследования лежит метод ДНК-оригами, позволяющий конструировать наноразмерные объекты заданной формы из молекул ДНК, из которых были собраны треугольные структуры размером 127 нанометров, каждая из которых несла 18 тиольных молекул. Эти конструкции размещались на кремниевой подложке с литографическим паттерном. Выход позиционирования каждой структуры ДНК-оригами в заданную позицию превысила 90 процентов, что значительно выше статистического предела традиционных методов осаждения молекул.

«После того как ДНК-треугольники были зафиксированы на подложке, сверху на эту конструкцию методом сухого переноса наносился атомарно тонкий слой дисульфида молибдена (MoS2). Тиоловые группы химически связываются с дефектами кристаллической решётки MoS2, так называемыми вакансиями серы, создавая точечные ловушки. Когда такой гибридный материал облучают лазером, возбуждение (экситон) перемещается по слою MoS2, но попадает в ловушку, созданную молекулой. Там энергия высвобождается в виде строго одиночного фотона», — рассказал Анвар Баймуратов, доцент Центра инженерной физики Сколтеха, руководитель Научной группы квантового дизайна и соавтор исследования.  

Позиционирование источников достигалось с точностью 13 нанометров. Время жизни излучателей составило несколько наносекунд, что на три порядка быстрее, чем у излучателей, создаваемых ионным облучением. Разработанный метод может быть применим не только к дисульфиду молибдена, но и к другим двумерным материалам, включая графен. В сочетании с параллельными методами литографии, такими как наноимпринтная литография, технология может быть масштабирована до производства пластин большего размера.

«ДНК для нас — это не просто носитель наследственной информации, а универсальный строительный материал. Мы использовали его как молекулярный скотч, который позволяет прикрепить нужную химическую группу строго туда, куда нам нужно. По сути, мы научились „раскрашивать“ двумерные материалы точечными квантовыми метками, управляя их свойствами на наноуровне. Это открывает перспективы для создания устройств новой архитектуры», — поделилась старший преподаватель Центра инженерной физики Сколтеха Ирина Мартыненко, соавтор исследования, руководитель Лаборатории ДНК-наноинженерии и фотоники Центра инженерной физики Сколтеха.

Работа уникальна тем, что метод ДНК-оригами был впервые применён для контролируемого создания квантовых излучателей в двумерных материалах, что позволило добиться беспрецедентной точности позиционирования источников одиночных фотонов. Технология показывает, что мир биотехнологий (ДНК) и мир неорганической физики (двумерные материалы) можно объединить, чтобы добиться точности буквально на уровне отдельных молекул. В ближайшем будущем это позволит создавать не только однофотонные излучатели, но и сложные схемы для квантовой обработки информации, а также сверхчувствительные датчики.