我国在量子精密测量领域取得关键突破，创新提出量子磁传感器新方案
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我国在量子精密测量领域取得关键突破，创新提出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、多家国内外科研单位联合参与的团队在量子传感技术方面取得重要进展。研究人员首次在大角度转角双层石墨烯系统中观察到电位移矢量与磁场比值的量子化现象，并成功捕捉到朗道能级交叉点上的量子化“中国结”结构。基于该发现，团队提出了一种适用于低温强磁场条件下的新型磁传感器原理。相关成果已发表于国际权威期刊《自然·传感》，为精密测量技术提供了新的研究方向和技术支撑。
图为量子化“中国结”结构示意图
在低维材料体系中，电子的量子化行为通常表现为与基本物理常数相关的离散能级跃迁。这种现象不仅是现代量子计量学的理论基础，也是推动量子计算、量子通信等前沿领域发展的关键材料支撑。然而，自然界中能够呈现出稳定量子化行为的凝聚态体系极为罕见，因此，探索新的量子化物理系统不仅有助于深入理解基础物理规律，也为高精度测量技术的创新提供了可能，这也是本研究团队长期关注的核心问题之一。
“我们的实验过程就像在搭建‘乐高’积木，每一步都需要精确控制。”该研究的首位作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟解释道，团队首先通过机械剥离方法获得高纯度单层石墨烯，随后采用干法转移技术将两层石墨烯以20°—30°的角度进行堆叠，并最终使用高纯六方氮化硼完成器件封装，从而构建出微米尺度的微纳结构。这一精心设计的体系在强磁场作用下诱发了独特的层间弱耦合效应，从而在实验中呈现出具有高度均匀性的“中国结”图案，其形态与传统装饰性“中国结”极为相似。
“中国结”结构的出现并非随机现象。武汉大学吴冯成教授通过理论建模揭示了其背后的物理机制：该结构源于电场驱动下的层间电荷转移相变，而“中国结”内部的电子相变临界电场，主要由层间极化与库伦相互作用电容能之间的竞争关系所决定。基于这一机制，研究团队进一步提出了一种新颖的低温磁传感方案，其核心在于利用“中国结”中两个特征峰之间的间距与磁场强度的线性关系。通过测量峰间距，即可推导出磁场强度，其原理类似于使用刻度尺测量长度。该方法有望在强磁场、低温环境中实现高精度磁测量。
相较于现有技术，该新方案在多个方面具有显著优势。论文的通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭指出，当前在低温强磁场探测中广泛应用的核磁共振方法虽然具备较高精度，但对磁场均匀性要求极为苛刻。一旦环境复杂或磁场存在梯度，信号极易失真，难以获取准确数据。而该新方案依托于微纳器件的量子特性，相当于为磁场测量提供了一把“微米级标尺”，将原本模糊的轮廓式探测升级为高分辨率、高精度的“高清地图式”测量，显著提升了复杂磁场环境中的测量性能。
据悉，研究团队下一步将重点推进该技术的片上集成化应用，旨在实现高密度、高分辨率的磁场标定能力，从而为量子科技、精密测量仪器等相关领域的研发和应用提供坚实支撑。
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