Supergeleiders kunnen nu groeien van DNA

Complexe 3D-architecturen op nanoschaal op basis van zelfassemblage van DNA kunnen elektriciteit zonder weerstand geleiden en een platform bieden voor het fabriceren van kwantumcomputers en sensoren.

3D-nanogestructureerde materialen die elektriciteit zonder weerstand kunnen geleiden, zouden in een reeks kwantumapparaten kunnen worden gebruikt. Dergelijke 3D-supergeleidende nanostructuren zouden bijvoorbeeld toepassing kunnen vinden in signaalversterkers om de snelheid en nauwkeurigheid van kwantumcomputers en ultragevoelige magnetische veldsensoren voor medische beeldvorming en ondergrondse geologische mapping te verbeteren. Traditionele fabricagetools zoals lithografie zijn echter alleen geschikt voor de productie van 1-D- en 2-D-nanostructuren, zoals supergeleidende draden en dunne films.

Nu hebben wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Columbia University en Bar-Ilan University in Israël een platform ontwikkeld voor het maken van 3D-supergeleidende nano-architecturen met een voorgeschreven organisatie.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications.

"Vanwege zijn constructieve programmeerbaarheid kan DNA een assemblageplatform bieden voor het bouwen van ontworpen nanostructuren", zei co-auteur Oleg Gang van Columbia Engineering. "De kwetsbaarheid van DNA maakt het echter ongeschikt voor functionele apparaatfabricage en nanofabricage waarvoor anorganische materialen nodig zijn. In deze studie hebben we laten zien hoe DNA kan dienen als een steiger voor het bouwen van 3D-architecturen op nanoschaal die volledig kunnen worden 'omgezet' in anorganische materialen zoals supergeleiders. "  De wetenschappers ontwierpen eerst DNA 'frames' en lieten die middels een DNA-programmastrategie aan elkaar groeien tot roosters. Deze werden vervolgens bedekt met siliciumdioxide (silica).

"In zijn oorspronkelijke vorm is DNA volledig onbruikbaar voor verwerking met conventionele nanotechnologische methoden", aldus Gang. "Maar zodra we het met silica bekleden, hebben we een mechanisch robuuste 3D-architectuur waarop we anorganische materialen kunnen deponeren. Dit is analoog aan traditionele nanofabricage, waarbij waardevolle materialen worden afgezet op vlakke substraten, meestal silicium, om functionaliteit toe te voegen."

De met silica beklede DNA-roosters werden vervolgens verzonden naar het Bar-Ilan's Institute of Superconductivity, dat wordt geleid door Yosi Yeshurun. "Voorheen was het maken van 3D-nanosupergeleiders een zeer ingewikkeld en moeilijk proces met conventionele fabricagetechnieken", zei co-auteur Yeshurun. "Hier hebben we daar een relatief eenvoudige manier voor gevonden."

Het team van Yeshurun ​​verdampte een lage temperatuur supergeleider (niobium) op een siliciumchip die een klein stukje van de roosters bevatte. De verdampingssnelheid en de temperatuur van het siliciumsubstraat moesten zorgvuldig worden gecontroleerd, zodat niobium het monster bekleedde maar niet helemaal doordrong. Als dat gebeurt, kan er kortsluiting ontstaan ​​tussen de elektroden die worden gebruikt voor de elektronische transportmetingen.

"We hebben een speciaal kanaal in het substraat gesneden om ervoor te zorgen dat de stroom alleen door het monster zelf gaat", legt Yeshurun ​​uit.

De metingen onthulden een 3D-constructie van Josephson-knooppunten, ofwel dunne niet-supergeleidende barrières met daarin supergeleidende stroomtunnels. Constructies van Josephson-knooppunten zijn de sleutel tot het benutten van kwantumverschijnselen in praktische technologieën, zoals supergeleidende kwantuminterferentie-apparaten voor detectie van magnetische velden. In 3D kunnen meer knooppunten in een klein volume worden verpakt, waardoor het apparaatvermogen toeneemt.

"We hebben aangetoond hoe complexe DNA-organisaties kunnen worden gebruikt om 3D-supergeleidende materialen met een hoowaardige nanostructuur te maken", aldus Gang. "Dit materiaalconversiepad geeft ons de mogelijkheid om een verscheidenheid aan systemen te maken met interessante eigenschappen - niet alleen supergeleiding maar ook andere elektronische, mechanische, optische en katalytische eigenschappen. We kunnen het ons voorstellen als een 'moleculaire lithografie', waar de kracht van DNA-programmeerbaarheid wordt overgebracht naar 3D-anorganische nanofabricage."