我国科研团队在量子精密测量领域取得关键进展，提出新型量子磁传感器方案
2026年1月21日，山西大学宣布，由该校主导、联合国内外多家科研机构组成的团队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呈现量子化行为，并捕捉到了朗道能级交叉点处形成的“中国结”量子化图案。基于这一发现，团队提出了一种适用于低温强磁场环境下的新型磁传感机制。相关研究成果已发表于国际知名期刊《自然·传感》，为高精度测量技术提供了全新路径。
量子化现象揭示电子跃迁特征，为精密测量提供理论支撑
在低维材料体系中，电子运动表现出以基本物理常数为尺度的离散性跃迁特征。这种量子化效应不仅是现代量子计量学的基石，也为量子计算等前沿技术提供了关键材料平台。然而，自然界中具备此类特性的凝聚态体系极为稀少，因此探索新型量子化系统，不仅有助于基础物理研究的深入，也为精密测量技术的革新打开新的窗口。
在此次研究中，科研人员通过构建一种大角度转角双层石墨烯体系，实现了对量子化现象的系统观测。该体系在强磁场下展现出独特的层间弱耦合效应，从而生成了具有高度对称性和均匀结构的“中国结”图案，其形态与传统装饰图案相似，但背后蕴含着深刻的物理机制。
实验过程精细，理论模型支撑揭示“中国结”成因
“整个实验过程类似于搭建‘乐高’积木，每一步都需要精准控制。”山西大学光电研究所副教授、论文第一作者董宝娟介绍，团队采用机械剥离法获得高质量单层石墨烯，并通过干法转移技术以20°—30°的角度将其堆叠，最终利用六方氮化硼进行封装，制备出微米尺度的微纳器件。正是这一结构设计，使得在强磁场作用下，层间耦合效应被有效激发，从而触发“中国结”图案的形成。
武汉大学吴冯成教授通过理论建模，进一步揭示了该图案的物理本质。研究发现，“中国结”源于电场作用下层间电荷转移相变，其内部电子相变的临界电场由层间极化能与库伦电容能之间的“竞争”机制决定。基于这一发现，团队提出了一种新的磁感应测量方案。
新型磁传感器原理明确，有望实现高分辨磁场标定
该团队提出的新型低温磁传感器，利用“中国结”图案中特征峰间距与磁场强度之间的线性关系，仅需测量两个“结”之间的距离，即可反推出磁场强度，其原理类似于使用刻度尺进行长度测量。由于该方法具有高空间分辨率的潜力，因此有望成为低温强磁场环境下新一代磁强计的有力候选。
对比现有方法，新方案具备显著优势
当前，低温强磁场测量主要依赖于核磁共振技术，尽管其精度较高，但对磁场均匀性要求极为严格。一旦磁场环境复杂或存在梯度，信号便会模糊，难以准确探测。而该新型传感器则依托于量子化“中国结”图案的微纳器件特性，相当于在磁场测量中引入了微米级“标尺”，将原本模糊的探测模式转变为高精度的“高清地图”式测量，从而显著提升复杂磁场环境下的探测能力。
技术前景广阔，未来将推进阵列化集成
研究团队表示，下一步将推动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，为量子传感、精密仪器、材料表征等领域的科研与工业应用提供有力支撑。