[論文レビュー] DNA - Nanoelectronics: Realization of a Single Electron Tunneling Transistor and a Quantum Bit Element

Eshel Ben‐Jacob, Ziv Hermon+1 more|ArXiv.org|Aug 30, 1998

Advanced biosensing and bioanalysis techniques被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、金属で被膜をかけたDNAを用いてトンネル接合を形成することで、ナノスケールの電子素子のためのマトリックスとしてDNAを用いることを提案している。室温で動作する単電子トンネル効果トランジスタ（SET）および量子ビット（qubit）素子の概念的設計を示しており、DNAの自己集合性と安定性を活用してスケーラブルなナノメートルスケールの量子エレクトロニクスを実現する。

ABSTRACT

Based on the understanding that chemical bonds can act as tunnel junctions in the Coulomb blockade regime, and on the technical ability to coat a DNA strand with metal, we suggest that DNA can be used to built logical devices. We discuss two explicit examples: a Single Electron Tunneling Transistor (SET) and a Quantum Bit Element. These devices would be literally in the nano-meter scale and would be able to operate at room temperature. In addition they would be identical to each other, highly stable and would have a self assembly property.

研究の動機と目的

• DNAをナノスケールの電子素子の構造的基盤として使用する可能性を検討すること。
• ナノスケールで機能的で安定的かつ自己集合する量子エレクトロニクス素子を構築する課題に取り組むこと。
• DNAベースのトンネル接合を用いて、室温で動作する単電子デバイスを実現すること。
• DNAの内在する自己集合性と安定性を活用して、スケーラブルな量子デバイスのプロダクションを可能にすること。
• 機能的なSETおよびqubit素子の設計を通じて、生物学的分子が量子エレクトロニクスに与える可能性を示すこと。

提案手法

• DNA鎖を導電性金属層で被膜化し、一次元的なトンネル接合アレイを形成すること。
• DNAの分子構造を用いてナノスケールで量子ドットおよびトンネル障壁を定義すること。
• ゲート電極をDNAベースの量子ドットに結合させ、電子輸送を制御する単電子トンネル効果トランジスタ（SET）を設計すること。
• DNA構造内に形成された二重量子ドットに基づく量子ビット（qubit）素子を構築し、重ね合わせ状態を実現すること。
• DNAベースのシステムにおける単電子トンネル効果をコウルボンブロック効果によって制御すること。
• DNAの自己集合性に依存して、ナノメートルスケールで同一で安定的かつ再現性のあるデバイス製造を実現すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DNAを、コウルボンブロック領域で信頼性のあるトンネル接合として機能させることは可能か？
• RQ2 室温で金属被膜DNAを用いた単電子トンネル効果トランジスタを実現することは可能か？
• RQ3 DNAベースの構造は、コherentな重ね合わせ状態を持つ量子ビット（qubit）素子を支持できるか？
• RQ4 DNAの自己集合性と安定性を活用して、ナノエレクトロニクス素子のスケーラブルな製造をどのように実現できるか？
• RQ5 生物学的分子を機能的な量子エレクトロニクス回路に統合するための主要な設計原則は何か？

主な発見

• 著者らは、金属被膜を施したDNAを基盤とする概念的設計を提案し、ナノスケールで単電子輸送を可能にする単電子トンネル効果トランジスタ（SET）の実現を示している。
• 二重量子ドット構造をDNA内で形成し、量子情報処理に適した量子ビット（qubit）素子の提案がなされている。
• DNAベースのシステムにおけるコウルボンブロックの高いエネルギースケールのおかげで、デバイスは室温で動作すると予測されている。
• DNAの自己集合性のおかげで、複雑なリソグラフィーを用いずに同一で安定的かつ再現性のあるデバイス製造が可能である。
• コウルボンブロック領域における化学結合をトンネル接合として用いることは、理論的に妥当なメカニズムとして裏付けられている。
• この設計は、既存のナノファブリケーション技術と相性が良く、バイオマテリアルを用いたスケーラブルな量子エレクトロニクスへの道筋を示している。