近日，天津理工大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院（李培、李翠平團(tuán)隊(duì)）、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京計(jì)算科學(xué)研究中心、匈牙利Wigner物理研究中心組建的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)，在國際頂級(jí)期刊《Nature Materials》上發(fā)表論文“Non-invasive bioinert room-temperature quantum sensor from silicon carbide qubits”。
在量子傳感領(lǐng)域，如何構(gòu)建能夠在室溫和生物環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行的淺層自旋量子比特，一直是推動(dòng)量子技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用的核心挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)固態(tài)量子體系往往受到表面缺陷噪聲、光學(xué)吸收及環(huán)境擾動(dòng)等限制，使其在生命體系中的性能受阻。針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了基于烷烯（alkene）表面終端調(diào)控的碳化硅淺層雙空位量子比特體系，成功構(gòu)建出一種室溫下非侵入式、生物惰性的量子傳感器（bioinert quantum sensor）。這一新型器件如同能“傾聽”分子磁語的“量子醫(yī)生”，可在不擾動(dòng)生物體系的前提下精準(zhǔn)探測微弱磁信號(hào)。
研究通過選用具有良好生物相容性的碳化硅（SiC）材料，針對(duì)淺層雙空位色心量子比特，通過分子級(jí)的烷烯（alkene）表面修飾，構(gòu)筑出一種穩(wěn)定的“鈍化保護(hù)層”。該表面化學(xué)調(diào)控有效減弱了表面缺陷噪聲，大幅提升了淺層色心的穩(wěn)定性和光學(xué)信號(hào)質(zhì)量。同時(shí)，系統(tǒng)采用近紅外波段進(jìn)行讀取，有效避開了水與生物分子的強(qiáng)吸收窗口，使其能夠在生命體系中實(shí)現(xiàn)低干擾運(yùn)行。更為重要的是，這一表面工程讓烷烯終端如同量子傳感器的“多功能耳朵”，可針對(duì)特定生物目標(biāo)進(jìn)行定制化探測，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、低干擾的室溫量子測量。
這一研究展示了通過表面分子工程顯著優(yōu)化碳化硅量子比特性能的可行路徑，并實(shí)現(xiàn)了兼具室溫穩(wěn)定性與生物惰性的量子傳感器。該成果不僅推動(dòng)了量子材料在生命科學(xué)方向的深入應(yīng)用，也為構(gòu)建面向生物醫(yī)學(xué)的下一代量子探測技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金及天津理工大學(xué)科研項(xiàng)目的支持。該成果的發(fā)表不僅展示了學(xué)校在量子材料與生物量子傳感研究方向的原創(chuàng)性貢獻(xiàn)，也標(biāo)志著我校青年科研團(tuán)隊(duì)在國際高水平學(xué)術(shù)舞臺(tái)上的重要進(jìn)步，進(jìn)一步提升了學(xué)校在半導(dǎo)體量子器件領(lǐng)域的學(xué)術(shù)影響力與國際聲譽(yù)。
論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02382-9
Nat. Mater. (2025).DOI:10.1038/s41563-025-02382-9
