我国量子精密测量研究取得重要进展，新型磁传感器方案问世
2026年1月21日，山西大学宣布，该校联合国内外多家科研机构组成的研究团队在量子传感领域取得关键性突破。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的量子化关系，成功捕捉到朗道能级交叉点处呈现出的量子化“中国结”图案，并据此提出了一种适用于低温强磁场环境的新型磁传感器原理。相关成果已发表于国际权威期刊《自然·传感》，为精密测量领域提供了全新的技术路径。
图为量子化“中国结”
低维体系中的量子化行为展现出电子能级以基本物理常数为尺度的离散跃迁特征。这类现象不仅是现代量子计量学的基础，也在量子计算等前沿科技中扮演着关键角色。然而，能够自然呈现这种量子化效应的凝聚态材料极为有限。因此，探索新的量子化物理系统，不仅有助于深化对基础物理规律的理解，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。
“实验过程非常类似搭建‘乐高’模型，每一个步骤都需要高度精确。”该研究的第一作者、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方法获得单层单晶石墨烯，随后通过干法转移技术将两层石墨烯以20°至30°的夹角进行精准堆叠，并最终使用高质量六方氮化硼进行封装，构建出微米尺度的微纳器件。正是在这种精心设计的体系中，强磁场环境下出现了独特的层间弱耦合效应，最终形成了具有高度一致性的量子化“中国结”图案，其外观酷似传统中国结。
该图案的出现并非偶然。武汉大学吴冯成教授通过理论分析揭示了其背后的物理机制：量子化“中国结”的形成源于电场驱动的层间电荷转移相变。“中国结”内部电子相变的临界电场，主要由层间极化效应与库伦电容之间的相互作用主导。基于这一发现，研究团队提出了一种新型的低温磁传感方案，利用“中国结”图案中特征峰间距与磁场强度的线性关系，仅需测量两个“结”之间的距离，即可如同使用刻度尺般，反推出磁场强度。这一方法在空间分辨率方面表现突出，有望发展为低温强磁场环境下的新一代磁强计。
相比现有技术，这一方案具有显著优势。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭指出，当前在低温强磁场中广泛使用的核磁共振方法虽然精度较高，但对磁场均匀性要求苛刻，一旦存在磁场梯度或复杂场分布，信号就会变得模糊，难以准确测量。而新方案利用微纳器件中的量子特性，相当于为磁场测量提供了一把微米级的“标尺”，将原本粗糙的“轮廓式”探测升级为微观层面的“高清地图”式测量，从而显著提升复杂磁场环境中的探测精度。
据悉，研究团队下一步计划推进该技术的片上集成，实现复杂磁场环境的高密度、高分辨率标定，为量子科技与精密仪器等领域的科研和实际应用提供有力支撑。