我国量子精密测量研究取得新进展 量子磁传感器创新方案问世
2026年1月21日，山西大学对外发布消息称，由该校牵头，联合国内外多个研究机构组成的科研团队在量子传感方向取得关键突破。研究人员在大角度转角双层石墨烯体系中首次揭示了电位移矢量与磁场比值的量子化机制，成功在朗道能级交叉点观测到独特的“中国结”量子化结构，并据此提出适用于低温强磁场环境的新型磁传感原理。相关研究成果已在《自然·传感》期刊发表，为精密测量技术的发展提供了新思路。
该现象源于低维材料中的量子化行为，表现为电子能级的离散跳跃，其尺度通常与基本物理常数相关。这种特性不仅是现代量子计量学的基础，也是支撑量子计算等前沿技术的重要物理平台。然而，自然界中能够表现出这类量子化行为的凝聚态体系非常有限，因此探索新型量子系统对基础科学和应用技术均具有重要意义。该团队正是以此为研究目标，开展了系统性的实验探索。
创新实验设计：构建微纳尺度器件
“这项实验就像拼装乐高积木，每一步都需要极高精度。”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得单层石墨烯样品，随后通过干法转印技术将两片石墨烯以20°至30°的大角度进行堆叠，最终在高质量六方氮化硼的封装下，构建出微米尺度的微纳器件。正是这种精心设计的结构，在强磁场作用下引发了层间弱耦合效应，从而促使“中国结”量子化图案的产生。该结构具有高度一致性，形态特征明显，与传统“中国结”图案颇为相似。
图案的形成并非随机。武汉大学吴冯成教授通过理论模拟揭示，量子化“中国结”源于电场驱动下的层间电荷转移相变。相变临界点的电场主要由层间极化能与库伦相互作用主导的电容能之间的“竞争”所决定。基于这一物理机制，团队进一步提出一种新颖的磁传感方案，利用“中国结”图案中特征峰间距与磁场强度的线性关系，仅通过测量两个“结”之间的距离，即可反推磁场强度。该方法具有高空间分辨率的潜力，可作为低温强磁场环境下的新一代磁强计。
对比现有技术：优势明显
相较于传统测量手段，该方案具有显著优势。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭指出，当前低温强磁场探测主要依赖核磁共振技术，虽具有高灵敏度，但在磁场不均匀或存在梯度的情况下，容易导致信号失真，影响测量精度。而新方法利用微纳器件的量子特性，相当于为磁场探测提供了一把微米级的“标尺”，将原本模糊的探测结果转化为高分辨率的“高清地图”，从而显著提升在复杂磁场环境下的测量能力。
据团队透露，未来研究将聚焦于该技术的片上集成，推动其向高密度、高分辨率的阵列化方向发展。这一进展有望在量子科技、精密测量仪器等多个领域发挥关键作用，进一步拓展量子传感技术的应用边界。