我国在量子精密测量领域取得重要进展，提出创新量子磁传感器新方案
我国在量子精密测量领域取得重要进展，提出创新量子磁传感器新方案
2026年1月21日，山西大学宣布，由该校主导并与国内外多个研究机构合作的科研团队在量子传感技术方面取得了重大突破。研究团队首次在大角度转角双层石墨烯体系中观察到电位移矢量与磁场比值的量子化行为，同时在朗道能级交叉区域捕捉到独特的量子化“中国结”图案。基于这一发现，团队提出了一种适用于低温强磁场环境的新型磁传感器原理，相关成果已在国际学术期刊《自然·传感》发表，为精密测量技术的发展提供了全新方向。
量子化“中国结”示意图。
在低维材料体系中，电子运动表现出以基本物理常数为尺度的离散跃迁特性，这一现象不仅构成了现代量子计量学的基石，同时也是支撑量子计算等前沿科技的微观物理基础。然而，自然界中能够稳定呈现量子化行为的凝聚态体系极为有限。因此，探索新的量子化物理体系，既是深化基础物理学认识的重要路径，也为精密测量技术的革新提供了潜在可能。这正是该研究团队攻关的重点方向。
“整个实验过程就像在拼搭乐高积木，每一步都需要精确控制。”论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟表示，研究团队采用机械剥离法获得高质量单晶石墨烯，并利用干法转移技术将两层石墨烯以20°至30°的大角度精确堆叠，最终通过六方氮化硼进行封装，构建出微米尺度的微纳器件。该结构在强磁场下激发了层间弱耦合效应，成功揭示出量子化“中国结”图案，其尺寸一致、形态清晰，具有鲜明的结构特征。
这一图案的出现并非偶然。武汉大学吴冯成教授通过理论分析揭示了其背后的物理机制。研究发现，量子化“中国结”是由于电场驱动下层间电荷转移引起的相变现象，而“中国结”内部电子相变的临界电场，则由层间极化与库伦作用引发的电容能之间的竞争关系主导。基于这一机制，研究团队进一步设计出一种新颖的低温磁传感方法——通过测量“中国结”图案中相邻峰之间的间距，并利用其与磁场强度之间的线性关系，即可精确反推出磁场值。该方法具有高空间分辨率潜力，有望成为未来低温强磁场环境下的新一代磁强计。
相较于现有技术，该方案有效解决了多个技术难题。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭指出，目前在低温强磁场探测中广泛应用的核磁共振技术虽然具备较高精度，但对磁场均匀性要求极高，一旦环境复杂或存在磁场梯度，信号便会模糊，难以获得准确结果。而新方法借助微纳器件的量子特性，相当于为磁场测量提供了一把微米级的“标尺”，将原本模糊的探测图像转化为具有高分辨率的“高清地图”，从而显著提升了复杂磁场环境下的测量精度。
据悉，科研团队下一步将推动该技术向片上阵列化集成方向发展，以实现对复杂磁场环境的高密度、高分辨率探测。这一进展有望为量子科技、精密测量仪器等多个领域提供重要的技术支撑。
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