学校在国际顶级期刊《Nature Materials》上发表文章

近日，天津理工大学集成电路科学与工程学院（李培、李翠平团队）、中国科学技术大学、北京计算科学研究中心、匈牙利Wigner物理研究中心组建的联合科研团队，在国际顶级期刊《Nature Materials》上发表论文“Non-invasive bioinert room-temperature quantum sensor from silicon carbide qubits”。

在量子传感领域，如何构建能够在室温和生物环境中稳定运行的浅层自旋量子比特，一直是推动量子技术走向实际应用的核心挑战。传统固态量子体系往往受到表面缺陷噪声、光学吸收及环境扰动等限制，使其在生命体系中的性能受阻。针对这一难题，研究团队提出并实现了基于烷烯（alkene）表面终端调控的碳化硅浅层双空位量子比特体系，成功构建出一种室温下非侵入式、生物惰性的量子传感器（bioinert quantum sensor）。这一新型器件如同能“倾听”分子磁语的“量子医生”，可在不扰动生物体系的前提下精准探测微弱磁信号。

研究通过选用具有良好生物相容性的碳化硅（SiC）材料，针对浅层双空位色心量子比特，通过分子级的烷烯（alkene）表面修饰，构筑出一种稳定的“钝化保护层”。该表面化学调控有效减弱了表面缺陷噪声，大幅提升了浅层色心的稳定性和光学信号质量。同时，系统采用近红外波段进行读取，有效避开了水与生物分子的强吸收窗口，使其能够在生命体系中实现低干扰运行。更为重要的是，这一表面工程让烷烯终端如同量子传感器的“多功能耳朵”，可针对特定生物目标进行定制化探测，实现精准、低干扰的室温量子测量。

这一研究展示了通过表面分子工程显著优化碳化硅量子比特性能的可行路径，并实现了兼具室温稳定性与生物惰性的量子传感器。该成果不仅推动了量子材料在生命科学方向的深入应用，也为构建面向生物医学的下一代量子探测技术奠定坚实基础。

该研究工作得到了国家自然科学基金及天津理工大学科研项目的支持。该成果的发表不仅展示了学校在量子材料与生物量子传感研究方向的原创性贡献，也标志着我校青年科研团队在国际高水平学术舞台上的重要进步，进一步提升了学校在半导体量子器件领域的学术影响力与国际声誉。

论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41563-025-02382-9

Nat. Mater. (2025).DOI:10.1038/s41563-025-02382-9