2026年1月21日，記者從山西大學獲悉，由該校主導、國內外多家單位合作的科研團隊在量子傳感領域取得重大突破：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，并基于此創新提出適用于低溫強磁場環境的新原理磁傳感器。相關成果已發表于國際學術期刊《自然·傳感》，為精密測量領域提供了全新技術路徑。 

圖為量子化“中國結”

低維體系中的量子化現象為電子運動呈現出以基本物理常數為尺度的“跳躍式”離散特征，這一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，既是深化基礎物理認知的重要課題，也能為精密測量技術創新開辟新方向，這正是該科研團隊的攻關目標。

“我們的實驗過程就像搭‘樂高’積木，每一步都要精準把控。”論文第一作者、山西大學光電研究所副教授董寶娟介紹，團隊通過機械剝離技術獲取單層單晶石墨烯，再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，最后用高質量六方氮化硼完成封裝，成功構建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，最終讓量子化“中國結”圖案呈現——其尺寸均一，形態酷似傳統“中國結”。

這一奇特圖案的形成并非偶然。團隊中武漢大學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”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。基于這一核心發現，團隊進一步提出了新型低溫磁傳感方案，即利用“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。

與現有技術相比，新方案解決了關鍵痛點。論文通訊作者、中國計量科學研究院研究員趙建亭解釋，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量子特性，相當于給磁場測量配備了一把微米級的“標尺”，能讓原本籠統的“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，大幅提升復雜磁場環境下的探測精度。

據悉，下一步科研團隊將進一步推進該技術的片上陣列化集成，以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與應用提供支撐。