我国在量子精密测量领域实现创新突破，提出新型量子磁传感器原理
2026年1月21日，山西大学宣布，由该校主导并联合国内外多所科研机构组成的团队，在量子传感领域取得关键进展。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之间比值的量子化新机制，并在朗道能级交叉点处发现了量子化“中国结”图案。基于这一现象，研究人员提出了一种适用于低温强磁场环境的新型磁传感器原理。相关研究成果已发表于《自然·传感》，为精密测量领域提供了创新路径。
低维量子体系：基础物理与技术应用的桥梁
低维体系中出现的量子化现象，为电子行为提供了以基本物理常数为单位的离散跃迁特征。这种特征不仅是现代量子计量学的重要基石，同时也是支撑量子计算等前沿技术的关键物理系统。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有限。因此，探索新的量子化物理平台，不仅有助于深化基础物理的理解，也为精密测量技术的演进提供了方向。此次研究正是朝着这一目标迈出的重要一步。
从“积木”到“结”：微纳器件的构建与量子特征的揭示
山西大学光电研究所副教授董宝娟作为论文第一作者，描述了研究过程的精细程度：“实验就像是用乐高积木搭造结构，每个步骤都需精确控制。”团队通过机械剥离方法获得单晶石墨烯单层，再利用干法转移技术将两层石墨烯以20°至30°的大角度堆叠，最终使用高质量六方氮化硼完成器件封装，构建出微米级的微纳器件。在强磁场下，该结构展现出独特的层间弱耦合效应，从而形成高度均一、形似传统“中国结”的量子化图案。
物理机制揭示与新型磁传感方案提出
武汉大学吴冯成教授通过理论模型解析了“中国结”形成背后的物理机制。研究表明，该现象源于电场驱动下的层间电荷转移相变，而“中国结”内部的电子相变临界电场，主要由层间极化电场与库伦主导的电容能之间的“竞争”关系所决定。基于这一发现，研究团队进一步提出了一种低温磁传感新方案：通过测量“中国结”图案中相邻特征峰之间的间距，即可依据其与磁场强度的线性关系，反推出磁场值。该方法具备高空间分辨率潜力，有望发展为适用于低温强磁场环境的新一代磁强计。
从测量模糊到清晰映射：技术突破的实际意义
与当前主流方法相比，新方案有效克服了技术瓶颈。中国计量科学研究院研究员、论文通讯作者赵建亭指出，传统核磁共振技术在低温强磁场测量中精度虽高，却对磁场均匀性要求极为苛刻。一旦磁场存在梯度或复杂分布，测量信号便容易失真，难以获得可靠数据。而该量子磁传感器则相当于为磁场探测配备了微米级的“标尺”，将原本模糊的“轮廓式”测量转化为精确的“高清地图式”探测，显著提升了在复杂磁场环境下的测量精度。
面向未来：从原理到应用的推进
下一步，研究团队计划推动该技术向片上阵列集成方向发展，实现高密度、高分辨率的磁场标定能力。这不仅为量子科技、精密仪器等领域的研究提供支持，也为相关技术的工程化应用奠定基础。随着量子传感技术的持续突破，未来在基础科研与产业应用中，有望出现更多基于量子效应的高性能传感器解决方案。