我国在量子精密测量领域取得重要进展，研发出新型量子磁传感器
我国在量子精密测量领域取得重要进展，研发出新型量子磁传感器
2026年1月21日，山西大学宣布，由该校牵头、联合国内多家科研单位组成的团队在量子传感领域取得重要成果。研究人员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的比值呈现量子化行为，发现朗道能级交叉点处形成独特的量子化“中国结”图案，并据此提出了一种适用于低温强磁场环境的新原理磁传感器。相关研究成果已发表于国际学术期刊《自然·传感》，为精密测量技术的发展提供了新的理论基础和工程路径。
图为量子化“中国结”
在低维凝聚态体系中，电子的量子化运动行为通常以基本物理常数为单位表现出离散跳跃的特征，这是现代量子计量学的重要理论依据，同时也为量子计算等前沿领域提供了关键物理支撑。然而，自然界中能够稳定表现出该类量子化行为的体系极为稀少。因此，探索新的量子化系统，不仅有助于深化对基础物理的理解，也为精密测量技术的发展开辟了新方向。此次科研团队的工作正是在这一背景下开展的。
“我们的实验过程可以类比为搭建‘乐高’积木，每一步都需要高度的精准控制。”论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟表示，团队采用机械剥离法制备单层石墨烯，并通过干法转移技术将两层石墨烯以20°至30°的大角度进行精确堆叠，最后使用高质量六方氮化硼材料完成器件封装，成功制备出微米尺度的微纳器件。正是这一精心设计的体系，在强磁场作用下激发了层间弱耦合效应，最终呈现出结构均一、形态酷似“中国结”的量子化图案。
该图案的出现并非偶然。武汉大学的吴冯成教授通过理论建模揭示了其背后的物理机制：量子化“中国结”的形成源于电场驱动下的层间电荷转移相变。图案中电子相变的临界电场，主要受到层间极化电场与库伦相互作用主导的电容能之间的“竞争”关系影响。基于这一发现，团队提出了一种新型磁传感方案，利用“中国结”中特征峰间距与磁场强度之间的严格线性关系，通过测量两个“结”之间的距离，即可精确反推出磁场值。该方法类似于用刻度尺进行长度测量，具备高空间分辨率，未来有望发展为适用于低温强磁场环境的新一代磁强计。
与现有磁探测技术相比，该方案在多个关键方面展现出显著优势。中国计量科学研究院研究员、论文通讯作者赵建亭指出，目前广泛使用的核磁共振技术虽然测量精度较高，但对磁场均匀性要求极为苛刻，一旦环境中存在磁场梯度，测量信号往往会变得模糊，难以准确反映真实情况。而新提出的磁传感方法，借助微纳尺度器件的量子特性，相当于为磁场测量配备了一把“微米标尺”，将传统“模糊轮廓式”探测提升为“高清地图式”测量，从而显著提高复杂磁场环境下的探测精度。
据研究团队介绍，下一步将重点推进该技术的片上阵列化集成，以实现对复杂磁场环境的高密度、高分辨率标定。这一进展不仅为量子传感技术的发展注入新动能，也将为精密仪器、量子计算及相关科研应用提供坚实的理论与工程支撑。
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