DNA-Origami-programmierbare optische Metaoberflächen und Quantenlichtquellen

• Antragstellerin: Irina Martynenko, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Biomaterialien ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544260898

Molekulare Selbstmontageverfahren, die atomare Präzision, ultimative Gestaltungsfreiheit und Skalierbarkeit bei der Nanofabrikation bieten, werden voraussichtlich einen großen Einfluss auf die Entwicklung künftiger künstlicher lichtgesteuerter Oberflächen haben. Die strukturelle DNA-Nanotechnologie, insbesondere die DNA-Origami-Selbstmontage, ermöglicht die ertragreiche Synthese einer Vielzahl hybrider organisch-anorganischer optischer Nanostrukturen mit einer Auflösung, die durch eine Top-down-Fertigung nicht erreicht werden kann. Die Integration dieser Nanostrukturen in reale Geräte ist jedoch nach wie vor eine Herausforderung. In meinem Projekt schlage ich vor, die Aufbauleistung des DNA-Origami mit lithografischer Strukturierung zu kombinieren, um die Lücke zwischen der Anordnung optischer Nanokomponenten auf der Nanoebene und der Herstellung auf der Makroebene zu schließen. Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Strategien für die Selbstmontage komplexer DNA-programmierbarer Objekte oder kontinuierlicher Gitter auf lithografisch strukturierten Oberflächen. Solche DNA-Architekturen dienen als Vorlage für die Bildung hybrider organisch-anorganischer optischer Komponenten in prototypischen optischen Geräten, die im sichtbaren und nahen Infrarotbereich arbeiten. Drei Forschungsziele sollen erreicht werden. Das erste Ziel besteht darin, DNA-Strukturen zu entwerfen, die auf gemusterten Oberflächen wachsen und sich zu Meta-Atomen im Submikronbereich in skalierbaren dielektrischen Meta-Oberflächen zusammensetzen, die eine starke chiroptische Reaktion zeigen. Solche Meta-Oberflächen mit der beispiellosen Fähigkeit der Polarisationskontrolle haben das Potenzial, als ultrakompakte integrierte optische Geräte eingesetzt zu werden. Das zweite Ziel ist die Herstellung photonischer Kristalle durch geimpftes Wachstum kontinuierlicher dreidimensionaler DNA-Gitter aus strukturierten Oberflächen. Solche photonischen Kristalle werden definierte Defekte in frei wählbaren Konfigurationen enthalten und können als topologisch geschützte Wellenleiter verwendet werden. Das dritte Ziel ist die Positionierung einzelner in DNA eingebetteter Quantenemitter in entworfenen nanophotonischen Umgebungen auf lithografisch definierten Anordnungen auf einer Chipoberfläche, was die Herstellung von chipintegrierten Einzelphotonenquellen für die Quantenkommunikation ermöglichen kann. Diese Ansätze haben das Potenzial, die Produktionskosten zu senken und die Effizienz optischer Metaoberflächen zu erhöhen. Langfristig könnten unsere aus DNA-Origami hergestellten optischen Komponenten in integrierten photonischen Schaltkreisen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich für die Biosensorik und Quantenkommunikation eingesetzt werden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: China (Hongkong)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Andrey Rogach