我国在量子精密测量领域取得关键进展，创新性量子磁传感器方案引关注
2026年1月21日，山西大学宣布，由该校主导，并联合国内外多家科研机构组成的研究团队，在量子传感技术方面取得重要成果。团队在大角度转角双层石墨烯体系中，首次观察到电位移矢量与磁场的比值呈现量子化特性，并捕捉到朗道能级交叉点处的量子化“中国结”图案。基于这一发现，研究者提出了一种适用于低温强磁场环境的新一代磁传感器原理方案。相关研究成果已发表于国际权威期刊《自然·传感》，为量子精密测量开辟了新的技术路径。
图示为量子化“中国结”图像
在低维材料体系中，量子化现象展现出电子行为以基本物理常数为单位的离散跃迁特征。这类特性不仅构成了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的物质基础。然而，能够自然展现出量子化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，既是基础物理研究的重要方向，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科学目标展开。
“这项研究的实验过程非常类似于搭积木，每一个环节都需要高度的精确控制。”论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟表示，研究人员采用机械剥离法获得单层单晶石墨烯，并通过干法转移技术将两层石墨烯以20°—30°的角度进行堆叠，最终使用六方氮化硼对器件进行高精度封装，构建出微米尺度的微纳器件。在强磁场作用下，该结构表现出独特的层间弱耦合效应，从而形成高度对称、均一且形似“中国结”的量子化图案。
这一量子化图像的形成并非偶然。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。量子化“中国结”源于电场驱动下两层石墨烯之间的电荷转移相变，其内部电子相变的临界电场，主要由层间极化效应与库伦作用主导的电容能之间的动态平衡所决定。基于这一机制，研究团队进一步提出了一种新型低温磁传感方案：通过测量“中国结”图案中相邻特征峰之间的间距，并借助其与磁场强度的严格线性关系，即可精确推导出磁场值。这种测量方式如同使用刻度尺测量长度一般，具有较高的空间分辨率，有望成为低温强磁场环境下新一代磁强计的基础。
相较于现有技术，该方案有效克服了传统方法的局限性。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭指出，目前在低温强磁场探测中广泛应用的核磁共振方法，虽然具备较高精度，但其对磁场均匀性的依赖度极高。一旦磁场环境复杂或存在梯度，测量信号便容易失真，导致测量结果不准确。而新方案通过微纳器件的量子特性，为磁场探测提供了一把“微米级”的“标尺”，能够将原本模糊的探测结果提升为高精度、高分辨率的“高清地图”，从而显著增强在复杂磁场环境中的探测能力。
据悉，研究团队下一步将推动该技术向片上阵列化方向发展，以实现对复杂磁场的高密度、高分辨标定。该成果有望在量子技术、精密仪器等多个领域发挥重要作用。