我国在量子精密测量领域实现关键技术突破
2026年1月21日，山西大学传来重要科研进展。由该校主导、联合多国科研机构的团队在量子传感领域取得重大成果。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比值的量子化行为，并在朗道能级交叉点处捕捉到一种独特的量子化“中国结”结构。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。研究结果发表于国际知名期刊《自然·传感》，为精密测量技术提供了全新思路。
图为量子化“中国结”
在低维体系中，量子化现象使电子运动表现出以基本物理常数为尺度的“跃迁式”离散特性。这一现象不仅是现代量子计量学的基础，也为量子计算等前沿领域提供了关键的物质平台。然而，自然界中能够展现这种量子化特性的凝聚态体系极为罕见。因此，开发新型量子化物理系统，不仅有助于深入理解基础物理规律，也为精密测量技术的革新开辟了新路径。
论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟表示，研究过程需要极高精度的操作。团队首先通过机械剥离法获取单层石墨烯单晶材料，再采用干法转印技术将两层石墨烯以20°至30°的夹角精确堆叠，最终利用六方氮化硼进行封装，构建出微米尺度的微纳器件。这一精心设计的结构在强磁场作用下展现出独特的层间弱耦合效应，从而呈现出清晰、均一的量子化“中国结”图案。
这一结构的出现并非随机。武汉大学吴冯成教授的理论分析揭示了其背后的机制。量子化“中国结”源于电场驱动下的层间电荷转移相变，其内部电子相变的临界电场主要由层间极化与库仑相互作用主导的电容能之间的竞争决定。基于该机理，研究团队进一步提出了一种新型低温磁传感方案：通过测量“中国结”图案中相邻特征峰之间的间距，利用其与磁场强度之间的线性关系，即可像使用刻度尺一样反推出磁场值。该传感器具有高空间分辨率潜力，有望发展为新一代低温强磁场环境下的磁强计。
与现有技术相比，该方案有效解决了当前探测技术中的关键瓶颈。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭指出，当前广泛使用的核磁共振方法虽然精度高，但对磁场均匀性要求极高。一旦环境复杂或存在磁场梯度，测量信号易受影响，导致精度下降。而新方案利用微纳结构的量子特性，相当于为磁场测量提供了微米级的“标尺”，将原本模糊的整体轮廓式探测提升为微观级别的“高清地图”式测量，显著提高了在复杂磁场环境中的探测能力。
据悉，研究团队正致力于将该技术集成至芯片级阵列，以实现对复杂磁场分布的高密度、高分辨率测量。这一成果有望在量子科技、精密仪器等领域发挥广泛支撑作用，推动相关技术的进一步发展。