我国在量子精密测量领域取得关键突破，研发新型量子磁传感器
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机构组成的科研团队在量子传感研究中取得重要进展。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，并成功观测到朗道能级交叉点处呈现的量子化“中国结”图案。基于这一发现，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。相关成果已在国际顶级期刊《自然·传感》上发表，为精密测量技术提供了全新的理论支持与应用路径。
图为量子化“中国结”图案
在低维体系中，量子化现象通常表现为电子运动状态以基本物理常数为单位的离散“跃迁”特征。这种特性不仅构成了现代量子计量学的理论基础，也是支撑量子计算等前沿技术的重要物质平台。然而，自然界中能够表现出此类量子化行为的凝聚态体系极为罕见。因此，探索和构建新的量子系统，既是推动基础物理研究的前沿课题，也为精密测量技术的发展开辟了新方向，这也是本项研究的核心目标。
“整个实验过程类似拼搭‘乐高’积木，每一个步骤都需要高度精确。”论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟表示。研究团队采用机械剥离方法获取单晶石墨烯，随后通过干法转移技术将两层石墨烯以20°—30°的偏转角度进行堆叠，最终借助六方氮化硼进行高质量封装，构建出微米级的微纳器件。这种精细设计的结构在强磁场条件下激发了层间弱耦合效应，从而形成了量子化的“中国结”图案——其形态一致、结构清晰，酷似传统装饰图案。
这一图案的出现并非巧合。武汉大学吴冯成教授通过理论计算揭示了其背后的物理机制。量子化“中国结”源于电场作用下层间电荷转移所引发的相变。“中国结”中电子态切换的临界电场，主要由层间电场极化与库仑作用引起的电容能之间的竞争关系所决定。基于该发现，团队进一步提出了新的磁传感方案，利用“中国结”中特征峰之间的间距与磁场强度的线性关系，通过测量两个“结”之间的距离，即可实现磁场强度的高精度反推。该传感器有望具备高空间分辨率，或将成为低温强磁场环境下的新一代磁强计。
相较现有技术，新方案有效突破了多个技术瓶颈。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭指出，目前低温强磁场探测主要依赖核磁共振方法，尽管其精度较高，但对磁场均匀性要求极严。一旦环境复杂或存在磁场梯度，信号就容易失真，难以准确测量。而新提出的方法利用微纳器件的量子特性，为磁场探测提供了一种“微米级标尺”，能够将原本模糊的探测结果提升为高精度的“高清地图”式测量，从而在复杂磁场中实现更稳定、更可靠的探测效果。
据悉，该科研团队下一步将推动该技术的片上集成化，实现高密度、高分辨率的磁场标定。该技术有望在量子信息科学、精密仪器等领域发挥关键作用，为相关科研与工程应用提供更强有力的技术支持。