综述：DNA纳米技术作为量子控制与器件的可编程精密接口

《Science China-Chemistry》：DNA nanotechnology as a programmable precision interface for quantum control and devices

　　

摘要

量子技术越来越需要对纳米尺度几何结构进行确定性控制，因为光-物质耦合、自旋依赖性输运、激子相互作用以及电子器件性能对距离、取向、手性以及集体组织方式高度敏感。传统的自上而下加工技术和非DNA自组装策略已在纳米光子学、自旋电子学和电子系统方面取得了实质性进展，但往往难以同时实现分子级寻址能力、三维可编程性以及位点特异性异质集成。DNA纳米技术提供了一种互补的自下而上策略，通过将序列信息转化为可编程的空间坐标，使功能组分以纳米级精度进行定位、定向和组织，并且在某些DNA力学系统中，还可实现亚纳米级的设计位移控制。在本综述中，我们讨论了DNA纳米技术作为一种面向量子相关控制和器件集成的可编程接口。我们首先总结了决定纳米尺度相互作用的空间自由度，包括取向、距离、拓扑/手性以及集体组织。接着，我们探讨了DNA折纸、DNA砖块、弯曲与扭曲框架以及表面注册DNA架构如何跨分子、纳米尺度和器件相关长度尺度实现结构编程。我们进一步回顾了DNA使能的自旋选择性输运与可编程自旋密度图案化、以DNA为模板组装纳米金刚石、量子点和等离子体纳米颗粒，以及一维电子通道（如碳纳米管），以及近期将DNA定义结构与光子腔、等离子体波导、二维材料和电子器件集成的努力。最后，我们讨论了与环境稳定性、界面洁净度、组装保真度、组分异质性、芯片级对准以及结构-功能验证相关的关键挑战。DNA纳米技术并非取代传统纳米加工技术，而是提供了一个分子精确的接口，将几何信息编码到具有量子相关功能的架构中，为可扩展的量子光电子学、可编程自旋接口以及生物集成量子传感平台提供了一条有前景的途径。