我國(guó)量子精密測(cè)量領(lǐng)域獲重大突破，量子化“中國(guó)結(jié)”催生新型磁傳感器
2026年1月21日，山西大學(xué)對(duì)外宣布，由該校主導(dǎo)、聯(lián)合國(guó)內(nèi)外多家單位組建的科研團(tuán)隊(duì)，在量子傳感領(lǐng)域取得里程碑式突破。團(tuán)隊(duì)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(guó)結(jié)”圖案，并基于這一核心發(fā)現(xiàn)，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方案。相關(guān)研究成果已正式發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然?傳感》，為全球精密測(cè)量領(lǐng)域提供了全新的技術(shù)路徑與研究思路。
量子化現(xiàn)象是低維體系中電子運(yùn)動(dòng)的獨(dú)特特征，其以基本物理常數(shù)為尺度呈現(xiàn)“跳躍式”離散特性，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，自然界中能夠展現(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)，既是深化人類對(duì)基礎(chǔ)物理規(guī)律認(rèn)知的重要課題，也能為精密測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新開辟全新方向，這正是該科研團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期以來(lái)的核心攻關(guān)目標(biāo)。
二、精密實(shí)驗(yàn)搭建“微觀積木”量子化“中國(guó)結(jié)”意外現(xiàn)身
“我們的實(shí)驗(yàn)過(guò)程就像搭‘樂高’積木，每一個(gè)步驟都需要精準(zhǔn)到微米級(jí)別把控。”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)為構(gòu)建實(shí)驗(yàn)體系付出了大量心血：首先通過(guò)機(jī)械剝離技術(shù)獲取高品質(zhì)單層單晶石墨烯，隨后利用干法轉(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，最后采用高質(zhì)量六方氮化硼對(duì)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(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)，最終讓一種形態(tài)酷似傳統(tǒng)“中國(guó)結(jié)”、尺寸均一的量子化圖案清晰呈現(xiàn)。這一被命名為量子化“中國(guó)結(jié)”的奇特現(xiàn)象，成為此次研究的核心發(fā)現(xiàn)，為后續(xù)技術(shù)創(chuàng)新奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。
三、破解物理機(jī)理創(chuàng)新磁傳感方案應(yīng)運(yùn)而生
量子化“中國(guó)結(jié)”的形成并非偶然。團(tuán)隊(duì)聯(lián)合武漢大學(xué)吳馮成教授通過(guò)理論計(jì)算，成功揭示了其背后的物理機(jī)理：該圖案源于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的層間電荷轉(zhuǎn)移相變，“中國(guó)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(kù)倫相互作用主導(dǎo)的電容能之間的“競(jìng)爭(zhēng)”關(guān)系決定。
基于這一核心物理發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了新型低溫磁傳感方案：利用“中國(guó)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?jī)蓚€(gè)“結(jié)”之間的距離，就能像用刻度尺測(cè)量長(zhǎng)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)。
四、突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸復(fù)雜磁場(chǎng)探測(cè)邁入“高清時(shí)代”
與當(dāng)前低溫強(qiáng)磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)痛點(diǎn)。論文通訊作者、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研究員趙建亭解釋，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獨(dú)特量子特性，相當(dāng)于給磁場(chǎng)測(cè)量配備了一把微米級(jí)的“標(biāo)尺”，能將原本籠統(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，大幅提升了復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境下的探測(cè)精度，為相關(guān)領(lǐng)域的精準(zhǔn)測(cè)量提供了更可靠的技術(shù)選擇。
據(jù)悉，下一步科研團(tuán)隊(duì)將聚焦該技術(shù)的片上陣列化集成，力爭(zhēng)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)域的科研創(chuàng)新與實(shí)際應(yīng)用提供更強(qiáng)有力的支撐。此次突破不僅彰顯了我國(guó)在量子精密測(cè)量領(lǐng)域的科研實(shí)力，更有望推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)，助力我國(guó)在量子科技賽道上占據(jù)更有利的位置。