我国在量子精密测量领域实现关键进展，创新量子磁传感器方案引关注
我国在量子精密测量领域实现关键进展，创新量子磁传感器方案引关注
2026年1月21日，山西大学宣布，由该校主导、联合多国科研机构的团队在量子传感领域取得重要成果。研究团队在大角度转角双层石墨烯体系中，首次观测到电位移矢量与磁场比值的量子化行为，并捕捉到朗道能级交叉点处形成的量子化“中国结”图案。基于该现象，团队提出了一种适用于低温强磁场条件下的新型磁传感机制。相关成果已发表于国际期刊《自然·传感》，为量子精密测量技术开辟了新路径。
图示为所观测到的量子化“中国结”结构。
在低维体系中，电子的量子化行为往往展现出以基本物理常数为尺度的离散特征。这不仅构成了现代量子计量学的理论基础，也对量子计算等前沿技术的发展具有重要意义。然而，自然界中能够呈现此类量子化特性的凝聚态体系极为罕见。因此，探索具备量子化响应的新系统，既是基础物理研究的核心议题，也为精密测量技术的创新提供了新方向。
“我们的实验就像搭‘乐高’积木，每一步都需要高度精准。”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单层石墨烯，再通过干法转印技术将两层石墨烯以20°—30°的大角度堆叠，并利用六方氮化硼进行封装，最终构建出微米尺度的微纳器件。这种结构在强磁场环境下表现出独特的层间弱耦合效应，从而形成量子化“中国结”图案——其尺寸均匀、形状类似传统“中国结”。
该图案的出现具有明确的物理机制。武汉大学吴冯成教授的理论计算显示，量子化“中国结”源于电场调控下的层间电荷转移相变。图案中电子相变的临界电场，主要由层间极化与库伦作用下的电容能之间的相互竞争决定。基于这一发现，研究团队进一步提出了一种基于“中国结”特征峰间距与磁场强度之间线性关系的新型低温磁传感方案。通过测量两个“结”之间的间距，即可类比于使用刻度尺，反推出磁场强度。这种传感器具备高空间分辨率，未来有望在低温强磁场环境中发挥重要作用。
相较于现有技术，该方案在多个方面实现突破。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭指出，目前低温强磁场探测中常用的核磁共振方法虽然精度较高，但对磁场均匀性要求极高。一旦环境复杂或存在梯度，信号便会失真，难以实现高精度测量。而该新方案通过利用微纳器件的量子特性，为磁场探测提供了类似“标尺”的测量工具，使原本模糊的宏观探测升级为微观层面的高分辨率测量，显著提升了在复杂磁场环境下的检测能力。
目前，研究团队正致力于推进该技术的集成化发展，目标是实现片上阵列化结构，以支持在复杂磁场环境下进行高密度、高分辨率的标定工作，从而推动量子科技和精密仪器等相关领域的研究与应用。
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