我国科研团队在量子磁传感器领域取得突破性进展
2026年1月21日，山西大学发布消息，其联合国内外多家研究机构的科研团队在量子传感领域取得了重要突破。研究人员在大角度转角双层石墨烯体系中，首次发现电位移矢量与磁场比值的量子化机制，并成功观测到在朗道能级交叉点处呈现的量子化“中国结”图案。基于该发现，团队提出了一种适用于低温强磁场环境的新型磁传感原理。相关研究成果已发表于国际顶级期刊《自然·传感》，为精密测量技术开辟了新的技术路径。
低维体系中的量子化现象通常表现为电子运动以基本物理常数为单位的离散跃迁特征。这一现象不仅是现代量子计量学的理论基础，也是构建量子计算等前沿技术的重要物理支撑。然而，自然界中能展现此类量子特性的凝聚态体系极为罕见。因此，探索新的量子化物理系统，既有助于拓展基础物理研究的边界，也为精密测量技术的发展提供了可能。这正是此次科研团队的核心研究目标。
微纳器件构建与量子化“中国结”形成
“我们的实验过程就像在拼搭‘乐高’，每一步都需要高精度控制。”论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟介绍，研究团队采用机械剥离法获取单层单晶石墨烯，并通过干法转移技术将其以20°至30°的大角度堆叠，最终利用高质量六方氮化硼材料完成器件封装，成功制备出微米级微纳器件。正是这种高度可控的结构设计，使得在强磁场条件下出现了显著的层间弱耦合效应，从而形成了独特的量子化“中国结”图案。该图案尺寸均匀，形态清晰，形似传统工艺品“中国结”。
“中国结”图案的形成并非随机事件。团队中的武汉大学吴冯成教授通过理论建模揭示了其背后的物理机制。研究指出，量子化“中国结”源自电场驱动下的层间电荷转移相变。“中国结”内部的电子态切换临界电场，由层间极化与库仑相互作用主导的电容能之间的竞争关系决定。基于这一发现，团队进一步提出了一种新的磁传感原理：通过测量“中国结”图案中相邻特征峰之间的距离，可依据其与磁场强度的严格线性关系，直接反推磁场强度，从而实现高精度磁场测量。
新型磁传感器具备显著优势
与传统测量方法相比，该方案在多个方面表现出优势。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭表示，当前低温强磁场探测主要依赖核磁共振技术，虽然其测量精度较高，但对磁场均匀性要求极为严苛。一旦环境中存在磁场梯度或非均匀性，测量信号便会变得模糊，影响检测精度。而基于量子化“中国结”的新型磁传感器，相当于为磁场探测配备了一把“微米级标尺”，将原本粗略的“轮廓式”测量升级为高分辨率的“高清地图”式探测，有望在复杂磁场环境下大幅提升测量精度。
据研究团队透露，下一步将重点推进该技术在芯片层面的阵列化集成，以实现对复杂磁场环境的高密度、高分辨标定。这一技术的进一步发展，将有望在量子传感、精密仪器及先进制造等多个领域发挥关键作用，推动相关科研与应用的持续创新。