我国在量子精密测量领域取得重大进展，研发新型量子磁传感器
我国在量子精密测量领域取得重大进展，研发新型量子磁传感器
2026年1月21日，山西大学宣布，由该校主导并与国内外多家科研单位合作的研究团队在量子传感领域取得关键性突破。研究团队首次在大角度转角双层石墨烯体系中观测到电位移矢量与磁场之间存在量子化比例关系，并在朗道能级交叉点处捕捉到独特的“中国结”量子化图案。基于此现象，研究者提出了一种适用于低温强磁场环境的新型磁传感器原理。相关成果已发表在国际权威期刊《自然·传感》上，为精密测量技术的发展开辟了全新的路径。
该图案被形象地称为“量子化‘中国结’”，是实验中微纳器件在强磁场条件下展现的特征性量子结构。在低维体系中，电子的运动呈现出以基本物理常数为基准的离散“跳跃”行为，这种量子化行为不仅构成了现代量子计量学的基础，也是量子计算等前沿科技的重要物质支撑。然而，自然界中具备此类量子化特征的凝聚态体系极为罕见。因此，探索新的量子化物理系统，既是推动基础物理研究的关键，也为精密测量技术提供了创新契机。
“整个实验过程犹如拼装‘乐高’，每一步都需要极高精度。”论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟介绍，研究团队采用机械剥离技术获得单层石墨烯单晶，再通过干法转移技术将两层石墨烯以20°—30°的角度精确堆叠，并借助六方氮化硼进行高质封装，从而构建出微米尺度的微纳器件。正是这一高度可控的实验结构，在强磁场作用下激发了层间弱耦合效应，最终呈现出统一且对称的量子“中国结”图案。
“中国结”图案的形成并非随机现象。武汉大学的吴冯成教授通过理论计算揭示了其背后的物理机制：量子化“中国结”源自于电场驱动下的层间电荷转移相变。图案中电子相的临界切换电场，主要由层间极化与电容能之间的竞争效应决定。基于这一机制，研究团队提出了一种新型的低温磁传感方案——通过测量“中国结”中相邻峰之间的间距，即可实现磁场强度的高精度反推。该方法利用图案的线性特征，使磁场测量如同用尺子测量长度一般直观，具备高空间分辨率，有望成为新一代低温强磁场磁强计。
与现有技术相比，该方案有效解决了低温强磁场探测中的若干难题。目前主流的核磁共振方法尽管精度高，但对磁场均匀性要求极高，一旦环境复杂或存在梯度，测量信号往往模糊，难以精准获取数据。而新方案借助微纳器件的量子特性，相当于为磁场探测配备了一把“微观标尺”，将原先模糊的整体轮廓探测，升级为高分辨率的“微观地图”式测量，从而显著提升在复杂磁场环境下的测量精度。
据悉，研究团队下一步将致力于推进该技术的片上集成与阵列化设计，以实现对复杂磁场环境的高密度、高精度标定。这一成果有望为量子科技、精密仪器等多个领域提供有力支撑，推动相关应用的进一步发展。
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