我国科研团队在量子精密测量领域实现技术突破
2026年1月21日，山西大学发布消息，由该校主导，联合国内外多家科研单位组成的团队在量子传感研究中取得重要成果。研究人员首次在大角度转角双层石墨烯体系中发现了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成功观测到一种独特的量子化“中国结”图案。基于此，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，相关成果发表于国际权威期刊《自然·传感》，为精密测量技术提供了全新的研究方向。
量子化现象助力前沿科技发展
在低维材料体系中，量子化现象通常表现出以基本物理常数为单位的离散能级特征。这类特性不仅是量子计量学的基础，也为量子计算、传感等前沿领域提供了关键的物理支撑。然而，自然界中能够稳定展现出量子化行为的凝聚态系统非常有限，因此，探索新的量子化物理系统，既有助于深化对基础物理的理解，也为精密测量技术的发展提供了新的可能。这正是此次研究团队致力于攻克的核心问题。
微纳器件构建量子化“中国结”
“我们的实验过程就像拼搭‘乐高’积木，每一步都必须高度精准。”论文第一作者、山西大学光电研究所的董宝娟副教授解释道。团队采用机械剥离法获取高质量单晶石墨烯，再通过干法转移技术，将两层石墨烯以20°—30°的转角进行堆叠，并最终使用六方氮化硼进行封装，构建出微米尺度的微纳器件。该结构在强磁场环境下引发了独特的层间弱耦合效应，从而使得量子化“中国结”图案得以形成。该图案形态规整，呈现出与中国传统“中国结”相似的结构。
理论揭示图案背后的物理机制
团队中的武汉大学吴冯成教授通过理论计算揭示了“中国结”图案的形成机制。研究指出，该图案源于电场驱动下的层间电荷转移相变。“中国结”内部电子相变的临界电场，主要由层间极化与库伦作用主导的电容能之间的竞争关系决定。基于这一发现，团队进一步提出一种低温磁传感新方案：利用“中国结”中相邻特征峰间距与磁场强度的线性关系，通过测量两个“结”之间的间距，即可精确反推出磁场强度。该方法具备高空间分辨率的潜力，有望成为新一代低温强磁场磁强计。
新方案突破传统测量瓶颈
相比于现有技术，这一方案在关键性能上实现了显著提升。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭表示，目前低温强磁场探测常用核磁共振方法，尽管精度较高，但对磁场均匀性要求极高。一旦磁场分布不均或存在梯度，测量信号便会失真，导致探测结果不准确。而新方案通过微纳器件的量子特性，相当于为磁场测量配备了一把微米级别的“标尺”，将原本模糊的磁场轮廓探测转化为高精度的“高清地图”式测量，在复杂磁场环境中显著提升了探测能力。
未来有望实现高密度集成
据悉，研究团队下一步计划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。这一进展不仅有望推动量子传感技术的发展，也将为精密仪器、量子计算等领域的科研与应用提供强有力的技术支撑。