記者4日從天津理工大學獲悉，該校積體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維格納物理研究中心合作，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。相關研究成果發表在國際期刊《自然·材料》上。
　　
量子感測器憑藉超高的磁場靈敏度，被譽為“納米尺度的聽診器”，可捕捉極微弱的磁場信號，在醫學檢測、生命科學研究中潛力巨大。目前應用最廣的是金剛石氮—空位色心量子感測器，它雖能在室溫工作，但需532納米綠光激發，該波段易被生物體內水和有機分子吸收，還會引發組織自發發光與局部發熱，嚴重干擾探測信號，極大限制了其在活體中的應用。
　　
對此，研究團隊將目光轉向半導體產業成熟的碳化矽材料。他們創新性採用低溫烯烴分子化學修飾方法，在碳化矽表面構建出一層有機碳鏈保護層，相當於為量子感測器量身定制一件“保護衣”。這件“保護衣”既能有效抑制表面陷阱態對色心量子比特的干擾，又能維持材料電學結構穩定。實驗證實，可顯著改善量子比特退相干與螢光閃爍問題，讓感測器性能更穩定可靠。
　　
依託該表面分子工程技術，團隊成功搭建室溫穩定運行的生物惰性量子傳感平臺。其激發、發射波段均落在近紅外生物窗口，具備低吸收、低背景螢光優勢，適合在複雜生物環境中開展非侵入式磁場信號探測，且對局部電子自旋雜訊回應高度靈敏。
　　
此項研究不僅提升了量子感測器的靈敏度與穩定性，更打通了量子技術通往生物醫學應用的關鍵通道。該技術經優化後，未來可應用於量子核磁共振探測、單分子磁共振成像、自由基檢測等前沿領域，有望實現細胞層面病變即時監測、體內藥物作用路徑追蹤等精准醫學檢測。
　　
李培表示，將分子層級介面工程引入量子感測器設計，是重要發展方向，不僅提升了室溫下器件穩定性，也讓量子傳感更適配真實生物環境。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介面工程提供全新設計思路。

來源：科技日報