DNA折纸工程化分子–MoS₂杂化材料中的确定性量子光发射体

点亮量子未来

想象一下计算芯片上的每一个微小光点都能以每次一个粒子的方式承载安全信息。要将这样的量子技术变为现实，工程师需要在精确位置按需发射单光子的微观光源。本文展示了如何通过结合两种看似不相关的工具来构建这些量子光源：在下一代电子学中广为人知的超薄晶体，以及最初用于纳米尺度“折纸”的DNA结构。二者结合，创建出一种可控、可编程的片上量子光平台。

为何微小的单光子光源重要

单光子发射体是未来量子网络的基石，在这些网络中信息不是由电流传输，而是由单个光子传递。固态版本的这些器件——构建在固体材料中而非真空中的脆弱原子系统——尤其有吸引力，因为它们原则上可以集成到实际电路中。最有前景的寄主材料之一是原子级薄的半导体，例如二硫化钼（MoS₂），它们只有几层原子厚，在可见光和近红外范围发光强烈，且可以像柔性贴片一样铺设在不同表面上。挑战在于要在特定位置创造出具有可重复性质的发射体，而不是让它们作为随机缺陷出现。

将DNA用作分子蓝图

为了解决这一难题，研究人员转向了DNA折纸技术，该技术通过许多较短的辅助链将一条长DNA链折叠成所需形状。在这里，他们使用三角形DNA片作为可以精确放置在芯片上规则阵列中的分子“适配器”，定位精度优于20纳米。每个三角形携带多个以含硫硫醇基团终止的小分子，这些分子沿边缘在预定位置排列。团队首先对硅芯片进行图案化，使每个三角形位点恰好吸引一个DNA三角。然后将这些DNA片干燥固定，形成表面上带有硫醇分子纳米级模板，间距可从数百纳米调节至不足两百纳米。

将超薄晶体与DNA图案结合

下一步，将一层单层MoS₂——一种通过气相方法生长并用保护性氮化硼封装的原子薄三角晶片——轻柔转移到DNA–硫醇图案之上。硫醇分子从DNA三角上伸出并与MoS₂薄片中缺失的硫原子化学键合。这些键合不仅能钝化缺陷：它们还会产生微小的能量陷阱，可俘获材料中的激子，即负责发光的束缚电子–空穴对。在室温光学测量中，带有硫醇功能化DNA图案的区域相比未改性的MoS₂出现一种略低能的新发光，这是激子在硫醇诱导位点被局域化的特征。随着DNA三角密度的增加，这一效应增强，证实了可以通过调整图案间距来调控激子能量景观。

创建可靠的量子光源

当冷却到接近绝对零度数度时，每个图案化位点的宽谱局域发光会分裂成少数几条锋利的发射线。详细的光子统计显示，这些谱线中的大多数对应真正的单光子发射体：这些器件以每次一光子的方式发射，而非随机爆发。在33个图案化位置中，有29个显示出明确的单光子行为，表明放置产率约为90%。这些发射体亮度高、寿命在纳秒量级且色谱和强度相对稳定，而且抗击常见问题如闪烁和漂白。理论计算支持这样一种图景：硫空位处键合的硫醇分子产生浅的供体样缺陷态，俘获激子并以单光子的形式释放它们的能量，这与如离子辐照等方法产生的更深、更长寿命的缺陷形成对比。

从设计缺陷走向量子电路

通过证明DNA折纸可以可靠地将量子光源“写入”到原子薄半导体的特定位置，这项工作把随机缺陷变成了可编程的设计特性。由于该方法无破坏性、兼容可扩展光刻并基于多用途的有机化学，原则上它可以扩展到其他二维材料和其他类型的分子。对非专业读者来说，关键的信息是我们正在学习以分子级精度工程化不完美之处，使平面晶体能够承载密集、有序且相同的量子光源阵列。这样的设计缺陷可以成为未来量子通信芯片、超小型传感器和光子电路的骨干，在这些器件中每一个光点都被放置在所需位置并每次发出一个光子。

引用: Li, Z., Zhao, S., Melchakova, I. et al. Deterministic quantum light emitters in DNA origami–engineered molecule–MoS₂ hybrids. Light Sci Appl 15, 159 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02204-w

关键词: 单光子发射体, DNA折纸, 二硫化钼, 量子光, 二维材料