我国在量子精密测量领域取得关键进展，创新量子磁传感器方案问世
2026年1月21日，山西大学传出消息，由该校牵头、联合国内外多家科研机构的团队在量子传感领域取得了重要突破。研究团队在大角度转角双层石墨烯体系中首次观测到电位移矢量与磁场比值的量子化现象，并捕捉到了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提供了全新思路。
量子化现象助力精密测量技术革新
低维体系中出现的量子化现象，使电子运动表现出以基本物理常数为尺度的“跳跃式”离散特征。这种现象不仅是现代量子计量学的重要基础，也是支撑量子计算等前沿科技的关键物理单元。然而，自然界中能展现出此类量子化特征的凝聚态体系极为稀有。因此，探索新的量子化物理系统，既有助于深化基础物理的理解，也为精密测量技术的创新开辟了新路径。
“乐高式”构建微纳器件，揭示量子化“中国结”
“我们的实验过程就像拼接乐高积木，每一步都需要高度精准。”论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟介绍，团队采用了机械剥离法获得单晶石墨烯，并通过干法转移技术将两层石墨烯以20°至30°的较大角度堆叠，再利用高纯度六方氮化硼完成封装，成功制备出微米尺度的微纳器件。正是这一结构，在强磁场条件下激发了独特的层间弱耦合效应，从而呈现出具有均匀尺寸和“中国结”形态特征的图案。
揭示“中国结”物理机制，提出新磁传感方案
这一图案的出现并非偶然。团队中的武汉大学吴冯成教授通过理论建模解析了其背后的物理机制——量子化“中国结”源于电场驱动下层间电荷转移的相变过程。图案内部电子相变的临界电场，由电场引发的层间极化效应与库伦相互作用主导的电容能之间的竞争关系决定。基于该发现，团队进一步提出了新的低温磁传感方案，通过测量“中国结”图案中相邻特征峰之间的间距，即可推导出磁场强度，其原理类似于使用标尺测量长度，具备高空间分辨率的潜力，有望发展为低温强磁场环境下新一代磁强计。
新方案突破现有技术局限，提升测量精度
与现有技术相比，新方法有效解决了低温强磁场探测中的关键难题。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭表示，目前广泛使用的核磁共振方法虽然精度较高，但对磁场均匀性要求极高，一旦磁场环境复杂或存在梯度，测量信号容易失真，导致探测精度下降。而新方案基于微纳器件的量子特性，相当于为磁场测量配备了一把微米级“标尺”，将传统的“模糊轮廓”式探测升级为“高清地图”式测量，从而显著提升复杂磁场环境下的测量准确性。
推动技术集成，拓展应用前景
据悉，研究团队下一步将重点推进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、精密仪器等相关领域的研究与应用提供有力支持。这一成果标志着我国在量子传感与精密测量领域迈出了坚实的一步。