我国在量子精密测量领域取得突破，研发新型量子磁传感器
我国在量子精密测量领域取得突破，研发新型量子磁传感器
2026年1月21日，山西大学宣布，由该校牵头、多家国内外科研机构联合参与的团队在量子传感领域取得关键突破。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比值的量子化新机制，并成功捕捉到朗道能级交叉点处的量子化“中国结”图案。基于该发现，团队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《自然·传感》，为精密测量技术提供了全新的研究路径。
图为量子化“中国结”。
在低维体系中，量子化现象表现为电子行为以基本物理常数为单位的离散跃迁特征。这种现象不仅是现代量子计量学的基础，也是构建量子计算等前沿技术的关键物理支撑。然而，自然界中能够呈现此类量子化行为的凝聚态体系极为罕见。探索新的量子化物理系统，不仅有助于加深对基础物理的理解，也对推动精密测量技术发展具有重要意义。
“我们的实验过程就像搭‘乐高’积木，每一步都需要高度精确。”论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟解释道。研究团队采用机械剥离法获取单层单晶石墨烯，并通过干法转移技术将两层石墨烯以20°—30°的大角度进行堆叠，最终利用六方氮化硼进行高质量封装，构建出微米尺度的微纳器件。该结构在强磁场环境下展现出显著的层间弱耦合效应，成功呈现出独特的量子化“中国结”图案——其形态统一，外形酷似传统中国结。
这一图案的出现具有明确的物理机制。武汉大学的吴冯成教授通过理论计算揭示，量子化“中国结”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，主要由层间极化与库伦相互作用主导的电容能之间的“竞争”关系决定。基于这一发现，团队进一步提出了一种新的低温磁传感原理：通过“中国结”图案中特征峰间距与磁场强度的线性关系，仅需测量两个“结”之间的距离，即可实现对磁场强度的高精度反推。这种磁传感器具备微米级空间分辨率，有望成为低温强磁场环境中新一代磁强计。
与现有磁测量技术相比，该方案有效突破了多项技术瓶颈。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭指出，目前在低温强磁场环境下常用的核磁共振测量方法，虽然具备较高的精度，但对磁场均匀度要求极高。一旦环境复杂或磁场存在梯度，测量信号将显著退化，难以准确探测。而新方法利用微纳器件的量子特性，为磁场测量提供了一种微观尺度的“标尺”，将原本模糊的探测结果转换为高精度、高分辨率的“高清地图”式测量。
据悉，研究团队下一步计划推动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，为量子科技和精密测量等相关领域提供更坚实的技术支撑。
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