我国在量子精密测量领域取得新进展，创新量子磁传感器方案引关注
2026年1月21日，山西大学对外宣布，该校联合国内外多个研究机构，在量子传感领域取得了重要成果。科研团队在大角度转角双层石墨烯体系中，首次发现了电位移矢量与磁场比值的量子化机制，并成功捕捉到朗道能级交叉点上的“中国结”量子化图案。基于这一现象，研究团队提出了适用于低温强磁场环境的新型磁传感器原理。相关研究成果已在《自然·传感》期刊发表，为精密测量技术提供了新的发展方向。
图示为所观测到的量子化“中国结”图案。
在低维材料系统中，量子化行为往往表现为电子能量以普朗克常数为尺度的离散跃迁，这是量子计量学的重要理论基础，同时也为量子计算等前沿技术提供了关键的物理平台。然而，自然界中能稳定实现量子化的凝聚态体系极为有限。探索具备量子化特性的新型材料体系，不仅有助于深化基础物理认知，也为精密测量技术的革新提供了可能。此次研究正是围绕这一目标展开。
据论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟介绍，研究团队通过机械剥离技术获得高质量单晶石墨烯，并采用干法转移工艺将两层石墨烯以20°至30°的大角度堆叠。随后，使用六方氮化硼进行封装，构建出微米尺度的器件结构。该结构在强磁场作用下展现出独特的层间弱耦合效应，从而引发了量子化“中国结”图案的出现，其形态和尺寸高度一致，具有显著的特征性。
“中国结”图案的形成并非随机，而是由特定物理机制驱动。武汉大学吴冯成教授通过理论计算指出，该图案的形成源于电场调控下层间电荷转移的相变过程。其中，电子相变的临界电场由电场诱导的层间极化与电容能之间的竞争关系所决定。基于这一发现，研究团队进一步开发出一种新的低温磁传感方法，即通过测量“中国结”中相邻峰之间的间距，即可精准推算出磁场强度。该方法原理类似于利用刻度尺测量距离，具备高空间分辨率的优势，为强磁场环境下的磁测量提供了新的工具。
相较于现有磁测量技术，该新方案在关键性能上展现出明显优势。中国计量科学研究院研究员、论文通讯作者赵建亭指出，当前低温强磁场探测常用核磁共振方法，尽管测量精度较高，但对磁场的均匀性要求极为苛刻。一旦磁场存在梯度或分布不均，信号便会失真，难以实现高精度测量。而该新型磁传感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”，使原本模糊的磁场轮廓探测转变为高分辨率的“高清地图”式测量，显著提升了复杂磁场环境下的探测能力。
据悉，该研究团队未来将进一步推动该技术向片上阵列化集成方向发展，以实现对复杂磁场环境的高密度、高分辨率标定。该成果有望为量子科技、精密仪器等领域提供更加精准的测量工具和理论支撑，助力相关技术的进一步突破与应用。