我国科研团队在量子精密测量领域取得关键性进展
我国科研团队在量子精密测量领域取得关键性进展
2026年1月21日，山西大学传来消息，由该校牵头、联合国内多所高校及研究机构组成的科研团队，在量子传感技术方面取得突破性成果。研究团队在大角度转角双层石墨烯系统中，首次发现电位移矢量与磁场的比值呈现出量子化行为，并成功观测到了朗道能级交叉点处的量子化“中国结”图案。基于该现象，团队创新性地提出了一种适用于低温强磁场环境的新型磁传感器原理。研究成果已发表在国际权威学术期刊《自然·传感》，为精密测量技术开辟了新的研究路径。
图为量子化“中国结”图案
低维材料体系中的量子化行为，使得电子运动呈现出以基本物理常数为单位的离散跃迁特征。这类现象不仅构成了现代量子计量学的基石，同时也是量子计算、量子通信等前沿科技的关键物理平台。然而，自然界中能够稳定展现此类量子化特性的凝聚态系统极为罕见。因此，探索新型量子化物理体系，不仅有助于拓展基础物理的研究边界，也为高精度测量技术的革新提供了新思路。这也是该研究团队长期攻关的核心方向。
“我们的实验过程类似拼装‘乐高’，每一步都需要精准控制。”论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟表示，研究团队通过机械剥离工艺获得高质量单层石墨烯，再利用干法转移技术，将两层石墨烯以20°—30°的角度进行精确堆叠，并以六方氮化硼进行封装，最终构建出微米尺度的微纳器件。正是这一结构设计，在强磁场作用下激发出独特的层间弱耦合效应，从而在实验中观察到量子化“中国结”图案。该图案具有尺寸均匀、形貌清晰的特点，其形态与传统工艺品“中国结”极为相似。
这一图案的出现并非巧合。研究团队中来自武汉大学的吴冯成教授通过理论建模，揭示了“中国结”图案背后的物理机制。研究发现，量子化“中国结”来源于电场驱动下的层间电荷转移相变，其中，“中国结”内部电子相变的临界电场，由电场引起的层间极化与库伦相互作用主导的电容能之间的竞争关系所决定。基于这一机制，团队提出了一种新型低温磁传感方案，即通过测量“中国结”中相邻特征峰之间的间距，利用其与磁场强度的线性关系，从而精确推导出磁场强度。该传感器有望在微纳尺度实现高空间分辨力，未来或可发展为低温强磁场环境下的新一代磁强计。
相比现有磁传感技术，该方案在多个方面展现出显著优势。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭指出，当前广泛采用的低温强磁场探测手段——如核磁共振法，虽具有较高测量精度，但对磁场均匀性要求极高。一旦磁场环境复杂或存在梯度，信号容易模糊，难以实现精准测量。而该新方案借助微纳器件中的量子特性，相当于为磁场测量提供了一把微米级“标尺”，将原本粗糙的“轮廓式”探测，提升至微观层面的“高清地图”式测量，极大增强了复杂磁场环境下的探测能力。
据悉，下一步研究团队将推动该技术向芯片集成方向发展，实现对复杂磁场环境的高密度、高分辨率标定，从而为量子科技、精密仪器及相关应用领域提供有力支持。
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