Nature Materials
非侵入性生物相容性室温量子传感器

小赛推荐：

该研究开发了一种基于碳化硅（SiC）divacancy qubit的室温非侵入性量子传感器，具有优异的生物相容性和近红外光学读出，适用于生物成像、自由基检测和纳米级核磁共振传感。

 

文献概述
本文《Non-invasive bioinert room-temperature quantum sensor from silicon carbide qubits》，发表于《Nature Materials》杂志，回顾并总结了一种新型浅层缺陷自旋qubit量子传感器，该传感器可在室温下稳定运行，并具有优异的光学读出和生物相容性。研究重点在于通过表面功能化控制缺陷qubit的性能，从而提升其在生物传感、核磁共振检测和量子模拟中的应用潜力。

背景知识
近年来，室温量子传感技术因避免低温冷却而受到广泛关注，尤其在生物医学和体内传感应用中具有显著优势。然而，传统使用的金刚石NV中心受限于绿色激发光下的高自体荧光和热效应。SiC中的divacancy qubit成为替代候选，因其具备近红外光学发射，减少有机物和水的吸收干扰。本研究提出通过烯烃终端表面功能化稳定SiC表面，从而抑制界面缺陷形成，提高qubit的稳定性与量子传感灵敏度。这一策略为下一代生物相容性量子传感器提供了理论基础与实验验证，同时解决了当前氧化界面导致的缺陷问题，为未来量子生物传感、光电子器件和量子仿真平台开发奠定基础。

 

提供标准化的小鼠表型分析服务，包括行为学、生理生化、代谢分析、基因表达等，支持疾病模型、药理学和神经科学研究。

了解更多

 

研究方法与实验
研究团队通过第一性原理模拟和实验手段，系统性地分析了SiC表面氧化过程中形成的碳簇和缺陷结构。随后，他们通过氢氟酸蚀刻和烯烃表面反应，构建了稳定的非氧化界面。在室温下，利用914 nm激光激发并检测电子自旋T1和T∗2时间，评估qubit的量子传感性能。此外，通过引入Gd-DO3A复合物和CF3基团，研究了外部自旋噪声对qubit的影响。

关键结论与观点

• 烯烃终端SiC表面显著减少界面缺陷，提高qubit稳定性，避免传统氧化工艺中的无序缺陷问题。
• divacancy qubit在室温下具有约85 μs的T1时间和1 μs的T∗2时间，适用于近红外生物传感。
• 通过表面功能化，可实现从亲水到疏水的调控，增强生物应用适应性。
• qNMR实验显示，同位素工程可使磁灵敏度达13 nT/√Hz，接近最佳NV中心水平。
• 表面碳链可作为保护层，同时支持多种化学修饰，用于靶向生物检测。

研究意义与展望
本研究为室温量子传感提供了新的材料平台，克服了传统金刚石NV中心在生物应用中的局限性。未来，该平台可进一步优化，提升同位素纯度和表面功能化策略，以实现更高灵敏度的生物分子检测和纳米核磁共振成像。此外，该系统还可用于大规模量子仿真，研究自旋-自旋相互作用和量子相变。

 

提供多种实验动物进口服务，涵盖从申请、审批到隔离检疫的全流程支持，适用于国际疾病模型和基因编辑动物研究。

了解更多

 

结语
本研究成功开发了一种基于4H-SiC divacancy的室温量子传感器，通过烯烃终端表面功能化，显著提高了qubit的稳定性和量子传感性能。该传感器在近红外波段进行光学读出，避免了生物样品的自体荧光和热损伤，具有广泛的应用前景，包括生物传感、核磁共振检测和量子信息处理。此外，该系统在量子模拟和光电子器件领域也展现出潜力。未来，该研究为开发高灵敏度、非侵入性生物量子传感器奠定了理论和实验基础，推动了绿色量子技术的发展。

 

Pei Li, Ji-Yang Zhou, Song Li, Guang-Can Guo, and Adam Gali. Non-invasive bioinert room-temperature quantum sensor from silicon carbide qubits. Nature Materials.