我国科研团队在量子精密测量领域取得关键进展
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我国科研团队在量子精密测量领域取得关键进展
近日，山西大学联合多家科研机构，在量子传感领域取得突破性成果。研究团队首次在大角度转角双层石墨烯体系中观察到电位移矢量与磁场的比值出现量子化现象，并成功捕捉到朗道能级交叉点处形成的量子化“中国结”图案。基于这一发现，团队提出一种适用于低温强磁场环境的新原理磁传感技术。该成果已发表于国际权威期刊《自然·传感》，为量子精密测量技术提供了新的研究方向。
量子化现象在低维体系中往往表现为电子能量的离散跃迁，这种以基本物理常数为基准的特性，是现代量子计量体系的核心基础，同时也是支撑量子计算等前沿技术的关键物理单元。然而，自然界中能够稳定呈现出此类量子化特征的凝聚态系统极为罕见。因此，探索新型量子化物理系统，不仅有助于深化对基本物理规律的理解，也对推动精密测量技术的革新具有重要意义。
据论文第一作者、山西大学光电研究所董宝娟副教授介绍，团队通过机械剥离手段获得高质量单晶石墨烯，并借助干法转移技术，将两层石墨烯以20°—30°的精确角度进行堆叠，最终采用六方氮化硼完成器件封装，构建出微米级别的微纳结构。在强磁场环境下，该体系表现出独特的层间弱耦合效应，从而生成出形态规则、尺寸一致的量子化“中国结”图案，其结构与传统装饰图案高度相似，因而得名。
理论计算表明，“中国结”图案的形成机制源于层间电荷转移相变。武汉大学吴冯成教授指出，在电场作用下，层间极化效应与库伦相互作用之间的“竞争”关系决定了电子相变的临界电场。基于这一理论模型，研究团队进一步开发出一种新颖的磁传感策略：通过测量“中国结”图案中相邻特征峰之间的间距，即可按照线性关系反推出磁场强度。该方法具备高空间分辨率优势，有望发展成为新一代低温磁强计。
相比现有技术，新方案展现出显著优势。中国计量科学研究院研究员、论文通讯作者赵建亭表示，传统核磁共振方法在低温强磁场探测中精度虽高，但对磁场均匀性要求极严，一旦磁场出现梯度或非均匀分布，测量信号便会失真，影响最终结果的准确性。而该新方案则通过微纳器件的量子特性，实现类似“刻度尺”的测量方式，将原本模糊的磁场轮廓转化为高精度、高分辨的微观磁场分布图，有效提升了复杂磁场环境下的探测能力。
研究团队表示，后续将重点推进该技术的片上集成方案，实现多通道、高密度磁场标定。此项成果将为量子传感、精密测量及微电子器件等相关领域提供有力支撑，助力未来量子科技的发展与应用。
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