近日，天津理工大學集成電路科學與工程學院青年教師李培與中國科學技術大學、北京計算科學研究中心及匈牙利Wigner物理研究中心合作，在量子傳感技術領域取得重要突破，為量子探測走向生命科學應用奠定了理論基礎。相關研究成果發(fā)表在國際期刊《自然材料》上。

量子傳感器憑借超高的磁場靈敏度，被譽為“納米尺度的聽診器”，可捕捉極微弱磁場信號，在醫(yī)學檢測、生命科學研究中潛力巨大。目前應用最廣的是金剛石氮-空位色心量子傳感器，它雖能在室溫工作，但需532納米綠光激發(fā)，該波段易被生物體內(nèi)水和有機分子吸收，還會引發(fā)組織自發(fā)發(fā)光與局部發(fā)熱，嚴重干擾探測信號，極大限制了其在活體中的應用。

對此，研究團隊將目光轉(zhuǎn)向半導體產(chǎn)業(yè)成熟的碳化硅材料。碳化硅不僅晶圓工藝完善，還具備優(yōu)異生物兼容性，其激發(fā)與發(fā)射波段處于近紅外“第二生物窗口”，該波段生物組織吸收少、自發(fā)熒光弱、光穿透能力更強，用于量子探測如同在體內(nèi)打出一束精準“手電筒”，探測更深、干擾更小。

但碳化硅量子傳感同樣存在應用瓶頸：傳統(tǒng)材料表面處理易產(chǎn)生隨機碳團簇和深能級缺陷，如同傳感器表面長出“雜草”，嚴重影響量子比特穩(wěn)定性與探測精度。

為此，團隊創(chuàng)新性采用低溫烯烴分子化學修飾方法，在碳化硅表面構(gòu)建出一層有機碳鏈保護層，相當于為量子傳感器量身定制一件“保護衣”。這件“保護衣”既能有效抑制表面陷阱態(tài)對色心量子比特的干擾，又能維持材料電學結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。實驗證實，可顯著改善量子比特退相干與熒光閃爍問題，讓傳感器性能更穩(wěn)定可靠。

依托該表面分子工程技術，團隊成功搭建室溫穩(wěn)定運行的生物惰性量子傳感平臺，其激發(fā)、發(fā)射波段均落在近紅外生物窗口，具備低吸收、低背景熒光優(yōu)勢，適合在復雜生物環(huán)境中開展非侵入式磁場信號探測，且對局部電子自旋噪聲響應高度靈敏。

此項研究不僅提升了量子傳感器的靈敏度與穩(wěn)定性，更打通了量子技術通往生物醫(yī)學應用的關鍵通道。該技術經(jīng)優(yōu)化后，未來可應用于量子核磁共振探測、單分子磁共振成像、自由基檢測等前沿領域，有望實現(xiàn)細胞層面病變實時監(jiān)測、體內(nèi)藥物作用路徑追蹤等精準醫(yī)學檢測。

李培表示，將分子層級界面工程引入量子傳感器設計，是重要發(fā)展方向，既提升了室溫下器件穩(wěn)定性，又讓量子傳感更適配真實生物環(huán)境。該方法為室溫生物量子傳感提供可行路徑，也為寬禁帶半導體量子器件界面工程提供全新設計思路。

審核編輯 黃宇