老师同学们大家好，今天给大家带来的是来自加州大学圣芭芭拉分校的Ania Bleszynski Jayich教授于今年9月刊登在arXiv的预印版文章，题目是《Patterning programmable spin arrays on DNA origami for quantum technologies》。
为解决固态自旋在纳米尺度精度下可控组装的难题，本研究将基于DNA的图案化技术与金刚石中的氮空位（NV）色心系综量子传感器相结合，成功构建并探测了可编程的二维自旋阵列。作者利用DNA折纸技术调控螯合Gd³⁺自旋的间距，并通过观测近端NV色心的弛豫率（1/T₁）与每个折纸单元上Gd³⁺自旋数量之间的线性关系，验证了对自旋间距的有效控制。研究进一步表明，DNA折纸的引入能够保留近端浅层NV中心的电荷态与自旋相干性，因此可作为在金刚石表面实现自旋功能化的一种有效手段。该工作演示了有序、强相互作用自旋网络的构建与探测能力，并将其应用于量子传感与模拟。最后，本文定量探讨了该技术在纠缠增强计量学和高通量蛋白质组学中的应用前景。
在固态量子技术中，如何在原子尺度精确定位单个量子比特并控制其相互作用，是一项重大技术挑战。当量子比特距离足够近时，偶极耦合将主导其动力学行为。因此，精确调控这些相互作用的强度与均匀性，是实现高性能局域量子存储器、纠缠增强量子传感器以及具备高灵敏度与时空关联探测能力的多量子比特传感器的关键。这推动了对一种通用组装平台的探索，该平台需具备精确的空间控制、高保真度与良好的可扩展性，以用于构建工程化的相互作用自旋系统。
目前已有多种技术可在晶体中定点制备单个固态自旋缺陷，包括掩膜离子注入、光刻控制的激光与电子辐照等方法。虽然其中一些方法能够制备出孤立的单缺陷，然而，其空间分辨率通常被限制在10-100 nm范围内，且后续退火过程中的原子扩散也会影响定位精度。同时，这些工艺过程中引入的额外缺陷还可能成为不必要的退相干源。对于分子自旋量子比特，金属有机框架（MOFs）提供了一种模块化且化学可调的途径来组织自旋阵列。然而，MOFs虽能将自旋中心组织成扩展的周期性结构，却无法实现位点特异性的可编程性。扫描隧道显微镜（STM）虽能实现单个吸附原子自旋的精确排列，但其可扩展性差，且需在低温等苛刻条件下运行，实验成本高昂。
DNA折纸技术为应对纳米级精度定位原子尺度量子比特的挑战，提供了一种极具潜力的新兴解决方案。作为一种最初为在纳米尺度精确组织物质而开发的技术，DNA折纸的核心在于通过短的合成单链DNA（ssDNA）“订书钉”，将一条长的ssDNA“支架”折叠成预定的二维或三维形状，从而实现自下而上的溶液相组装，并赋予其纳米级的空间控制能力。尽管该技术已在纳米光子学、分子电子学和生物传感等领域展现出广泛的应用价值，但其与基于相干自旋的量子技术的交叉融合仍是一个探索相对较少的前沿领域。DNA折纸所固有的高度可编程性、便捷的溶液相组装过程以及良好的生物相容性，使其成为一个非常引人注目的平台，用于构建新型混合量子器件。在这一平台中，如图1b所示，单个、经DNA折纸图案化的分子自旋可以被精确地放置在近表面光学活性缺陷（如金刚石氮空位中心）附近，从而通过高效的耦合实现量子比特的初始化、相干操纵和光学读取。这种独特的优势为量子传感和量子模拟等研究开辟了新的路径。
图1c-e具体展示了DNA折纸纳米级定位能力所实现的多种量子技术，涵盖从量子传感至多体量子动力学的工程化应用。在量子传感方面（图1c,d），该技术主要聚焦于两大重要应用：单分子磁共振成像与高通量蛋白质组学。其核心原理是利用自旋标记的适体作为探针，当适体与目标蛋白特异性结合时，会发生构象切换（如结构变化或解离），该事件可被金刚石中具备单自旋检测能力的亚表面NV磁强计所探测。然而，这类被视为“圣杯级”的传感任务，其发展长期受制于对目标密度、表面邻近度及结合化学的精确控制难题。而DNA折纸-金刚石NV混合平台的出现，正为解决这些难题提供了可能：它不仅能实现分子靶标的位点特异性固定，更确保了靶标与NV传感器之间保持纳米级的精确邻近度。
图 1.DNA折纸作为一个可编程平台，用于图案化自旋和连接NV中心
DNA折纸能够形成规则纳米级自旋量子比特阵列，这促使我们从一种互补的视角来审视该平台——将其视为一个能够探索强关联现象的量子模拟器。在原子系统中，对单个原子的精确空间控制已催生了量子传感与多体模拟的变革性进展，例如能够突破标准量子极限（SQL）的自旋压缩态。这些成功凸显了维度和空间有序在实现偶极驱动自旋压缩中的关键作用。然而，将这类技术有效转化为固态自旋体系面临严峻挑战，主要是难以在纳米尺度实现类似的光学阱和有序排列。
DNA折纸为解决这一挑战提供了一条独特路径。其能力已在相关领域得到初步验证：理论与早期实验表明，由DNA折纸图案化的、具有亚波长间距的偶极相互作用单光子发射器阵列，可展现出超辐射、亚辐射等涌现光子行为。这与原子平台形成鲜明对比，后者的发射器间距受光学衍射极限限制，通常为数百纳米。而DNA折纸通过化学方法功能化发射器，能轻易实现远超此极限的纳米级精密定位。这种在纳米尺度上同时精确定位自旋与光子发射器的能力，使DNA折纸成为一种强大且通用的平台技术，在量子模拟与量子传感等领域展现出巨大潜力。
为了评估DNA折纸作为基于NV的量子传感的表面功能化策略的适用性，必须首先确定它的存在不会降低浅层NV的自旋、电荷和光学性质，也不会改变NV的局部自旋环境。近表面NV对局部环境的变化高度敏感，许多现有的表面功能化方法已知会扰动它们的相干时间和电荷稳定性。研究团队首先通过两个关键参数的测量：动力学解耦下的相干衰减（探测宽带磁噪声）和双电子电子共振（DEER）（探测局部顺磁自旋的密度和光谱特性），评估了DNA折纸对浅层NV中心的影响（图2c-f）。
为评估DNA折纸作为表面功能化策略与NV基量子传感的兼容性，研究团队首先需要验证一个关键前提：DNA折纸的引入能否保持浅层NV中心优异的自旋、电荷与光学性质，且不扰动其局域自旋环境。近表面NV对局域环境的变化高度敏感，已有研究表明，许多表面修饰方法会显著劣化NV的相干时间与电荷稳定性。为此，团队重点通过两项关键测量来评估DNA折纸的影响（图2c-f）：动力学解耦下的相干衰减测量，用以探测DNA折纸是否引入了额外的宽带磁噪声。双电子电子共振（DEER）谱分析，用以表征局部顺磁自旋的密度与光谱特性，判断DNA折纸是否引入了新的有害自旋。
图 2.DNA折纸保留了浅NV中心的相干性和自旋环境
在验证了DNA折纸表面功能化架构与浅层NV中心的兼容性后，研究的重点转向证明该平台在构建NV与图案化分子自旋间受控接口方面的能力。本研究旨在利用DNA折纸的可编程性，实现对金刚石表面自旋活性分子密度的化学调控，并借助NV中心的读出来验证这一调控能力。研究团队采用标准的点击化学方法（图3b），将Gd-DOTA自旋标签共价连接到DNA结合链上，以此在折纸表面构建出可设计的Gd³⁺二维阵列（图3a）。通过精确控制DNA杂交过程，实现了对自旋位点间距和局部密度的程序化设计，为后续通过NV弛豫测量定量表征自旋阵列奠定了坚实基础。
图 3. 用NV弛豫法检测DNA折纸模板的Gd³⁺
通过调控被占据的结合位点数（Nb），可以精确指定自旋在折纸上的位置，进而控制其相对间距。同时，通过改变每个位点的Gd³⁺离子数（M），能够在固定间距下调控每个位点的自旋数目，从而调节整体密度。这种双重控制实现了对每个折纸总自旋含量及其空间几何形状的同步定制。连续波EPR光谱（图3c）证实了Gd³⁺成功标记到折纸上，其特征共振峰位置与孤立的Gd-DOTA相符。
为通过NV响应在局部验证自旋图案化效果，研究团队将杂交后的折纸沉积于金刚石表面，并进行了NV T₁弛豫测量。Gd³⁺离子具有大电子自旋（S=7/2）和快速千兆赫兹级动力学，其在NV零场分裂频率（2.87 GHz）附近产生的宽带磁噪声有效驱动了NV自旋的弛豫。基于洛伦兹噪声谱模型，NV中心的弛豫率对其近端磁噪声极为敏感。实验结果表明：无Gd³⁺时，NV本征T₁为1.9 ms（拉伸指数n=0.83，符合系综平均）；沉积Gd标记折纸后，T₁急剧降至88 μs（图3f），确凿证实了Gd³⁺的存在。
图 5. DNA折纸图案实现多功能量子传感
在量子计量学方面，理论研究表明强偶极相互作用的自旋阵列可产生计量学有用的多体纠缠态，自旋压缩现象已在原子和固态系统中得到验证。然而，固态体系中的位置无序严重限制了可实现的压缩度。DNA折纸通过精确定位自旋位置，有效缓解了无序带来的限制，同时为优化纠缠生成的几何结构提供了可能。加之其与表面的纳米级邻近性，为压缩态与传感目标的集成提供了天然途径。通过数值模拟自旋-1/2分子量子比特的方晶格系统（图5d），研究发现理想晶格配置下压缩参数ξS²可突破标准量子极限。尽管位置无序（σr=2 nm）和部分占据（F=0.75）会降低压缩效果，但压缩现象依然存在。相比之下，随机分布的自旋阵列则完全不产生压缩效应。这些结果凸显了DNA折纸在纳米尺度建立空间有序性的独特能力，为通过偶极相互作用实现量子增强计量学奠定了基础。
本研究成功构建了分子量子比特、DNA折纸与固态量子传感器相结合的新型实验平台。DNA折纸作为纳米尺度确定性图案化的理想载体，不仅保持了对NV中心特性的兼容性，更展示了NV弛豫时间与Gd³⁺图案化密度间的强线性关联。这一平台为强关联体系多体物理研究提供了新途径，同时为量子传感表面的功能化开辟了新方向。
通讯作者介绍：
Ania Bleszynski Jayich教授于2000年获得斯坦福大学物理学与数学计算科学学士学位，2006年获得哈佛大学物理学博士学位。在Bob Westervelt教授指导下，其博士论文主要研究半导体纳米结构中电子输运的扫描探针成像技术。在耶鲁大学Jack Harris教授课题组从事博士后研究期间，Bleszynski Jayich利用超高灵敏度微机械探测器开展凝聚态体系的磁化测量研究。在2010年加入加州大学圣芭芭拉分校担任助理教授前，她参与了由哈佛大学Misha Lukin教授与Jack Harris教授共同指导的科研项目，致力于金刚石氮空位中心与纳米机械谐振器的耦合研究。Bleszynski Jayich教授目前担任加州大学圣芭芭拉分校物理系的教授，相关研究成果发表在Nature，Nature nanotechnology，Nature physics，PRL，PNAs等国际期刊上共60余篇。
文章编号：25062公众号文章作者：LZW
原文引用：DOI：10.48550/arXiv.2509.10760
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