基于量子隧穿效应的自发光芯片在痕量检测领域展现出卓越性能，其核心机理在于通过纳米级间隙的电子隧穿效应实现万亿分之一克（0.1皮克）量级物质的识别。以下技术细节揭示了该技术的实现路径：1. **石墨烯量

如何制造无需外部光源的光学生物传感器？答案在于量子物理。通过利用称为非弹性电子隧穿的量子现象，EPFL工程学院生物纳米光子系统实验室的研究人员开发出一种仅需稳定电子流（通过施加电压形式）即可同步实现分子激发光与检测的生物传感器。

"若将电子视为波动而非粒子，该波动有极低概率在穿透超薄绝缘屏障时发射光子。我们的创新在于设计了一种纳米结构，既构成绝缘屏障的一部分，又显著提升发光概率，"实验室研究员Mikhail Masharin解释道。这一设计基于金属量子阱隧道结中电子隧穿引发的局域表面等离子体共振效应。

皮克级检测灵敏度

该纳米结构通过精密设计，使得电子在穿透氧化铝屏障到达超薄金层的过程中，将部分能量转移给等离子体集体激发态，最终转化为光子。这种结构的独特之处在于生物分子接触会改变发光强度和光谱特征，从而实现高灵敏度、实时、无标记检测。

实验室主任Hatice Altug指出："测试显示我们的自发光传感器可检测皮克浓度（万亿分之一克）的氨基酸和聚合物，灵敏度媲美当前最先进传感器。"该成果已发表于《自然·光子学》，并与苏黎世联邦理工学院、西班牙光子科学研究所等机构合作完成。

双功能超表面设计

核心技术在于金层超表面的双功能特性：一方面创造量子隧穿条件，另一方面通过金纳米线网格构成的"纳米天线"将光场局域在纳米级体积，极大提升生物分子检测效率。这种结构设计使得低概率隧穿过程在大面积均匀发生时可收集足够光子，为生物传感开辟新策略。

前实验室研究员、现三星电子工程师Jihye Lee强调："非弹性电子隧穿虽概率极低，但大面积均匀分布的特征使其成为可行检测方案。"该量子传感平台在EPFL微纳技术中心制造，兼具微型化（传感面积小于1mm²）、可扩展性和制造兼容性，为手持式生物传感器奠定基础。

实验室研究员Ivan Sinev总结道："这项技术实现了光产生与检测的单芯片集成，从即时诊断到环境污染物检测均具应用潜力，标志着高性能传感系统进入新纪元。"该设计突破传统需要外置光源和复杂光路限制，通过量子效应与超表面工程的协同创新，开创了自供能生物传感新范式。