我國量子精密測量領域獲重大突破，量子化“中國結”催生新型磁傳感器
2026年1月21日，山西大學對外宣布，由該校主導、聯合國內外多家單位組建的科研團隊，在量子傳感領域取得里程碑式突破。團隊在大角度轉角雙層石墨烯體系中，首次發現電位移矢量與磁場的比值量子化新機制，成功觀測到朗道能級交叉點處的量子化“中國結”圖案，并基于這一核心發現，創新提出適用于低溫強磁場環境的新原理磁傳感器方案。相關研究成果已正式發表于國際頂級學術期刊《自然?傳感》，為全球精密測量領域提供了全新的技術路徑與研究思路。
量子化現象是低維體系中電子運動的獨特特征，其以基本物理常數為尺度呈現“跳躍式”離散特性，不僅是現代量子計量學的核心基礎，更是量子計算等前沿科技的關鍵物質單元支撐。然而，自然界中能夠展現此類量子化特征的凝聚態體系極為稀少，探索新型量子化物理系統，既是深化人類對基礎物理規律認知的重要課題，也能為精密測量技術的創新開辟全新方向，這正是該科研團隊長期以來的核心攻關目標。
二、精密實驗搭建“微觀積木”量子化“中國結”意外現身
“我們的實驗過程就像搭‘樂高’積木，每一個步驟都需要精準到微米級別把控。”論文第一作者、山西大學光電研究所副教授董寶娟介紹，團隊為構建實驗體系付出了大量心血：首先通過機械剝離技術獲取高品質單層單晶石墨烯，隨后利用干法轉移技術，將兩層石墨烯以20°—30°的大角度進行精確堆疊，最后采用高質量六方氮化硼對其完成封裝，成功打造出微米尺度的微納器件。
正是這一精心設計的實驗體系，在強磁場環境下觸發了獨特的層間弱耦合效應，最終讓一種形態酷似傳統“中國結”、尺寸均一的量子化圖案清晰呈現。這一被命名為量子化“中國結”的奇特現象，成為此次研究的核心發現，為后續技術創新奠定了關鍵基礎。
三、破解物理機理創新磁傳感方案應運而生
量子化“中國結”的形成并非偶然。團隊聯合武漢大學吳馮成教授通過理論計算，成功揭示了其背后的物理機理：該圖案源于電場驅動下的層間電荷轉移相變，“中國結”內部電子相切換的臨界電場，主要由電場引發的層間極化與庫倫相互作用主導的電容能之間的“競爭”關系決定。
基于這一核心物理發現，團隊進一步提出了新型低溫磁傳感方案：利用“中國結”圖案中特征峰間距與磁場強度的嚴格線性關系，只需測量兩個“結”之間的距離，就能像用刻度尺測量長度一樣，精確反推出磁場強度。該傳感器具備高空間分辨率的潛力，有望成為低溫強磁場環境下的新一代磁強計。
四、突破現有技術瓶頸復雜磁場探測邁入“高清時代”
與當前低溫強磁場探測領域常用的核磁共振法相比，新提出的磁傳感方案成功解決了關鍵技術痛點。論文通訊作者、中國計量科學研究院研究員趙建亭解釋，核磁共振法雖測量精度較高，但對磁場均勻度要求極為苛刻，一旦磁場環境復雜或存在梯度，測量信號就會模糊不清，難以實現精準探測。
而新方案借助微納器件的獨特量子特性，相當于給磁場測量配備了一把微米級的“標尺”，能將原本籠統的“模糊輪廓”式探測，升級為精細到微觀層面的“高清地圖”式測量，大幅提升了復雜磁場環境下的探測精度，為相關領域的精準測量提供了更可靠的技術選擇。
據悉，下一步科研團隊將聚焦該技術的片上陣列化集成，力爭實現對復雜磁場環境的高密度、高分辨標定，為量子科技、精密儀器等相關領域的科研創新與實際應用提供更強有力的支撐。此次突破不僅彰顯了我國在量子精密測量領域的科研實力，更有望推動相關產業的技術升級，助力我國在量子科技賽道上占據更有利的位置。