自发光芯片利用量子隧穿效应检测万亿分之一克质量

那么，如何制造无需外部光源的光学生物传感器？答案是：利用量子物理。通过运用名为非弹性电子隧穿的量子现象，瑞士洛桑联邦理工学院工程学院生物纳米光子系统实验室的研究人员开发出仅需稳定电子流（以外加电压形式）即可实现分子同步发光与检测的生物传感装置。

生物纳米光子系统实验室研究员米哈伊尔·马沙林解释道："若将电子视为波而非粒子，这种波在穿越极薄绝缘屏障时具有极低概率的'隧穿'效应，同时会辐射光子。我们的创新在于设计了一种既构成绝缘屏障又能提升发光概率的纳米结构。"

万亿分之一克级检测

简而言之，该团队设计的纳米结构为上行电子穿越氧化铝势垒抵达超薄金层创造了理想条件。在此过程中，电子将部分能量转移给称为等离激元的集体激发态，继而辐射光子。该设计的独特之处在于光强与光谱会随生物分子接触发生特征变化，从而实现高灵敏度的实时无标记检测。

生物纳米光子系统实验室负责人哈蒂斯·阿尔图格表示："测试表明我们的自发光生物传感器可检测皮克浓度（即万亿分之一克）的氨基酸与聚合物，性能媲美当今最先进传感器。"

该成果已发表于《自然·光子学》期刊，合作单位包括苏黎世联邦理工学院、西班牙光子科学研究所和韩国延世大学。

双功能超表面

该创新的核心在于纳米结构金层的双功能性：既作为产生量子隧穿条件的超表面，又能调控辐射光特性。这种控制能力源自金纳米线网格构成的超表面结构，其作为"纳米天线"可将光场压缩至纳米尺度，显著提升生物分子检测效率。

论文第一作者、前生物纳米光子系统实验室研究员李智慧（现任三星电子工程师）指出："虽然单次非弹性电子隧穿概率极低，但大面积均匀分布的隧穿过程仍能捕获足够光子。这正是我们重点优化的方向，这项策略为生物传感开辟了全新可能。"

除了微型化与高灵敏度，团队在瑞士洛桑联邦理工学院微纳技术中心制造的量子传感平台更具可扩展性，兼容标准传感器制造工艺。其有效传感面积不足1平方毫米，为便携式生物传感器开发提供了全新路径，突破现有台式设备的局限。

生物纳米光子系统实验室研究员伊万·西涅夫总结道："我们实现了光产生与检测功能单芯片集成的完整传感系统。从床旁诊断到环境污染物监测，这项技术标志着高性能传感系统迈入新纪元。"