我国在量子精密测量领域取得新进展，提出创新量子磁传感器方案
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我国在量子精密测量领域取得新进展，提出创新量子磁传感器方案
2026年1月21日，山西大学宣布，由该校牵头，联合国内外多家科研机构组成的团队在量子传感领域实现了重要突破。研究团队在大角度转角双层石墨烯体系中，首次揭示了电位移矢量与磁场比值的量子化机制，并成功观测到朗道能级交叉点处呈现的量子化“中国结”图案。基于该发现，研究人员提出了一种适用于低温强磁场环境的新型磁传感器原理方案。相关研究成果已发表在国际知名期刊《自然·传感》上，为精密测量领域开辟了新的技术路径。
图为量子化“中国结”图案
低维材料中的量子化行为通常表现为电子运动在基本物理常数尺度上的“跳跃式”离散特性。这种现象不仅是现代量子计量学的基础，也在量子计算等前沿领域中发挥着关键作用。然而，自然界中能够呈现这种量子化行为的凝聚态体系极为有限。因此，探索新的量子化物理系统，不仅有助于拓展基础物理认知，也为精密测量技术的发展提供新的可能，这也是本次研究团队的重点攻关方向。
“我们的实验过程就像拼装乐高积木，每一个步骤都需要高度精准。”论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟解释道。研究团队通过机械剥离法获得高质量单晶石墨烯片，随后利用干法转移技术将两层石墨烯以20°至30°的较大角度进行堆叠，最终通过六方氮化硼进行封装，构建出微米尺度的微纳器件。正是这种精确控制的实验结构，在强磁场作用下引发了层间弱耦合效应，从而呈现出独特的“中国结”量子图案，其尺寸均一，外形酷似传统装饰图案。
该图案的形成并非随机现象。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，指出“中国结”源于电场驱动下的层间电荷转移相变。其中，电子相变的临界电场由层间极化与库伦相互作用引发的电容能之间的竞争关系主导。基于这一发现，团队进一步提出了一种新的低温磁传感方法：通过“中国结”图案中特征峰间距与磁场强度之间的严格线性关系，仅需测量两个“结”之间的距离，即可像使用刻度尺一样反推出磁场强度。该传感器具有高空间分辨率的潜力，或将成为低温强磁场环境下新一代磁强计的候选方案。
相较于现有技术，新方案有效解决了多个技术难点。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭指出，当前低温强磁场探测常采用核磁共振方法，虽然精度较高，但对磁场均匀性要求极高。一旦磁场存在梯度或环境复杂，测量信号便会变得模糊，难以获得准确数据。而新方法借助微纳器件的量子特性，为磁场测量提供了微米尺度的“标尺”，使原本模糊的磁场轮廓探测方式，转变为高精度的微观“高清地图”式测量，显著提升了复杂环境下的探测能力。
据悉，研究团队下一步将推动该技术的片上集成，实现对复杂磁场环境的高密度、高分辨率标定，为量子科技、精密仪器等多个领域的发展提供新的技术支撑。
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