2026年1月21日，記者從山西大學(xué)獲悉，由該校主導(dǎo)、國內(nèi)外多家單位合作的科研團隊在量子傳感領(lǐng)域取得重大突破：在大角度轉(zhuǎn)角雙層石墨烯體系中，首次發(fā)現(xiàn)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(jié)”圖案，并基于此創(chuàng)新提出適用于低溫強磁場環(huán)境的新原理磁傳感器。相關(guān)成果已發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·傳感》，為精密測量領(lǐng)域提供了全新技術(shù)路徑。 

圖為量子化“中國結(jié)”

低維體系中的量子化現(xiàn)象為電子運動呈現(xiàn)出以基本物理常數(shù)為尺度的“跳躍式”離散特征，這一特性不僅是現(xiàn)代量子計量學(xué)的核心基礎(chǔ)，更是量子計算等前沿科技的關(guān)鍵物質(zhì)單元支撐。然而，自然界中能展現(xiàn)此類量子化特征的凝聚態(tài)體系極為稀少，探索新型量子化物理系統(tǒng)，既是深化基礎(chǔ)物理認知的重要課題，也能為精密測量技術(shù)創(chuàng)新開辟新方向，這正是該科研團隊的攻關(guān)目標(biāo)。

“我們的實驗過程就像搭‘樂高’積木，每一步都要精準(zhǔn)把控。”論文第一作者、山西大學(xué)光電研究所副教授董寶娟介紹，團隊通過機械剝離技術(shù)獲取單層單晶石墨烯，再利用干法轉(zhuǎn)移技術(shù)將兩層石墨烯以20°—30°的大角度進行精確堆疊，最后用高質(zhì)量六方氮化硼完成封裝，成功構(gòu)建出微米尺度的微納器件。正是這一精心設(shè)計的實驗體系，在強磁場環(huán)境下觸發(fā)了獨特的層間弱耦合效應(yīng)，最終讓量子化“中國結(jié)”圖案呈現(xiàn)——其尺寸均一，形態(tài)酷似傳統(tǒng)“中國結(jié)”。

這一奇特圖案的形成并非偶然。團隊中武漢大學(xué)吳馮成教授通過理論計算揭示了背后的物理機理，量子化“中國結(jié)”源于電場驅(qū)動下的層間電荷轉(zhuǎn)移相變，“中國結(jié)”內(nèi)部電子相切換的臨界電場，主要由電場引發(fā)的層間極化與庫倫相互作用主導(dǎo)的電容能之間的“競爭”關(guān)系決定。基于這一核心發(fā)現(xiàn)，團隊進一步提出了新型低溫磁傳感方案，即利用“中國結(jié)”圖案中特征峰間距與磁場強度的嚴格線性關(guān)系，只需測量兩個“結(jié)”之間的距離，就能像用刻度尺量長度一樣，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(huán)境下的新一代磁強計。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，新方案解決了關(guān)鍵痛點。論文通訊作者、中國計量科學(xué)研究院研究員趙建亭解釋，目前低溫強磁場探測中常用的核磁共振法，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(huán)境復(fù)雜或存在梯度，測量信號就會模糊不清，難以實現(xiàn)精準(zhǔn)探測。而新方案借助微納器件的量子特性，相當(dāng)于給磁場測量配備了一把微米級的“標(biāo)尺”，能讓原本籠統(tǒng)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，大幅提升復(fù)雜磁場環(huán)境下的探測精度。

據(jù)悉，下一步科研團隊將進一步推進該技術(shù)的片上陣列化集成，以實現(xiàn)對復(fù)雜磁場環(huán)境的高密度、高分辨標(biāo)定，為量子科技、精密儀器等相關(guān)領(lǐng)域的科研與應(yīng)用提供支撐。