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(tuán)隊(duì)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(chǎng)的比值量子化新機(jī)制，成功觀測(cè)到朗道能級(jí)交叉點(diǎn)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(qiáng)磁場(chǎng)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(cè)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(yùn)動(dòng)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(jì)量學(xué)的核心基礎(chǔ)，更是量子計(jì)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(rèn)知的重要課題，也能為精密測(cè)量技術(shù)創(chuàng)新開辟新方向，這正是該科研團(tuán)隊(duì)的攻關(guān)目標(biāo)。

“我們的實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)通過機(jī)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(jìn)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(jì)的實(shí)驗(yàn)體系，在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下觸發(fā)了獨(dú)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(tuán)隊(duì)中武漢大學(xué)吳馮成教授通過理論計(jì)算揭示了背后的物理機(jī)理，量子化“中國結(jié)”源于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)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(chǎng)，主要由電場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)”關(guān)系決定。基于這一核心發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)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(chǎng)強(qiáng)度的嚴(yán)格線性關(guān)系，只需測(cè)量兩個(gè)“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(chǎng)強(qiáng)度。該傳感器具備高空間分辨率的潛力，有望成為低溫強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的新一代磁強(qiáng)計(jì)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，新方案解決了關(guān)鍵痛點(diǎn)。論文通訊作者、中國計(jì)量科學(xué)研究院研究員趙建亭解釋，目前低溫強(qiáng)磁場(chǎng)探測(cè)中常用的核磁共振法，雖測(cè)量精度較高，但對(duì)磁場(chǎng)均勻度要求極為苛刻，一旦磁場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜或存在梯度，測(cè)量信號(hào)就會(huì)模糊不清，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探測(cè)。而新方案借助微納器件的量子特性，相當(dāng)于給磁場(chǎng)測(cè)量配備了一把微米級(jí)的“標(biāo)尺”，能讓原本籠統(tǒng)的“模糊輪廓”式探測(cè)，升級(jí)為精細(xì)到微觀層面的“高清地圖”式測(cè)量，大幅提升復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境下的探測(cè)精度。

據(jù)悉，下一步科研團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)的片上陣列化集成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜磁場(chǎng)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。