近日，天津理工大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院青年教師李培與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京計(jì)算科學(xué)研究中心及匈牙利Wigner物理研究中心合作，在量子傳感技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破，為量子探測(cè)走向生命科學(xué)應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果發(fā)表在國(guó)際期刊《自然材料》上。

量子傳感器憑借超高的磁場(chǎng)靈敏度，被譽(yù)為“納米尺度的聽診器”，可捕捉極微弱磁場(chǎng)信號(hào)，在醫(yī)學(xué)檢測(cè)、生命科學(xué)研究中潛力巨大。目前應(yīng)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(jī)分子吸收，還會(huì)引發(fā)組織自發(fā)發(fā)光與局部發(fā)熱，嚴(yán)重干擾探測(cè)信號(hào)，極大限制了其在活體中的應(yīng)用。

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向半導(dǎo)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(qiáng)，用于量子探測(cè)如同在體內(nèi)打出一束精準(zhǔn)“手電筒”，探測(cè)更深、干擾更小。

但碳化硅量子傳感同樣存在應(yīng)用瓶頸：傳統(tǒng)材料表面處理易產(chǎn)生隨機(jī)碳團(tuán)簇和深能級(jí)缺陷，如同傳感器表面長(zhǎng)出“雜草”，嚴(yán)重影響量子比特穩(wěn)定性與探測(cè)精度。

為此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性采用低溫烯烴分子化學(xué)修飾方法，在碳化硅表面構(gòu)建出一層有機(jī)碳鏈保護(hù)層，相當(dāng)于為量子傳感器量身定制一件“保護(hù)衣”。這件“保護(hù)衣”既能有效抑制表面陷阱態(tài)對(duì)色心量子比特的干擾，又能維持材料電學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，可顯著改善量子比特退相干與熒光閃爍問(wèn)題，讓傳感器性能更穩(wěn)定可靠。

依托該表面分子工程技術(shù)，團(tuán)隊(duì)成功搭建室溫穩(wěn)定運(yùn)行的生物惰性量子傳感平臺(tái)，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(shì)，適合在復(fù)雜生物環(huán)境中開展非侵入式磁場(chǎng)信號(hào)探測(cè)，且對(duì)局部電子自旋噪聲響應(yīng)高度靈敏。

此項(xiàng)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(shù)通往生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵通道。該技術(shù)經(jīng)優(yōu)化后，未來(lái)可應(yīng)用于量子核磁共振探測(cè)、單分子磁共振成像、自由基檢測(cè)等前沿領(lǐng)域，有望實(shí)現(xiàn)細(xì)胞層面病變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、體內(nèi)藥物作用路徑追蹤等精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)檢測(cè)。

李培表示，將分子層級(jí)界面工程引入量子傳感器設(shè)計(jì)，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(shí)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(dǎo)體量子器件界面工程提供全新設(shè)計(jì)思路。

審核編輯 黃宇