21日，记者从山西大学获悉，由该校主导、国内外多家单位合作的科研团队在量子领域取得重大突破：在大角度转角双层石墨烯体系中，首次发现电位移矢量与磁场的比值量子化新机制，成功观测到朗道能级交叉点处的量子化“中国结”图案，并基于此创新提出适用于低温强磁场环境的新原理磁传感器。相关成果已发表于国际学术期刊《自然·传感》，为精密测量领域提供了全新技术路径。
低维体系中的量子化现象为电子运动呈现出以基本物理常数为尺度的“跳跃式”离散特征，这一特性不仅是现代量子计量学的核心基础，更是量子计算等前沿科技的关键物质单元支撑。然而，自然界中能展现此类量子化特征的凝聚态体系极为稀少，探索新型量子化物理系统，既是深化基础物理认知的重要课题，也能为精密测量技术创新开辟新方向，这正是该科研团队的攻关目标。
“我们的实验过程就像搭‘乐高’积木，每一步都要精准把控。”论文第一作者、山西大学光电研究所副教授董宝娟介绍，团队通过机械剥离技术获取单层单晶石墨烯，再利用干法转移技术将两层石墨烯以20°—30°的大角度进行精确堆叠，最后用高质量六方氮化硼完成封装，成功构建出微米尺度的微纳器件。正是这一精心设计的实验体系，在强磁场环境下触发了独特的层间弱耦合效应，最终让量子化“中国结”图案呈现——其尺寸均一，形态酷似传统“中国结”。
这一奇特图案的形成并非偶然。团队中武汉大学吴冯成教授通过理论计算揭示了背后的物理机理，量子化“中国结”源于电场驱动下的层间电荷转移相变，“中国结”内部电子相切换的临界电场，主要由电场引发的层间极化与库伦相互作用主导的电容能之间的“竞争”关系决定。基于这一核心发现，团队进一步提出了新型低温磁传感方案，即利用“中国结”图案中特征峰间距与磁场强度的严格线性关系，只需测量两个“结”之间的距离，就能像用刻度尺量长度一样，精确反推出磁场强度。该传感器具备高空间分辨率的潜力，有望成为低温强磁场环境下的新一代磁强计。
与现有技术相比，新方案解决了关键痛点。论文通讯作者、中国计量科学研究院研究员赵建亭解释，目前低温强磁场探测中常用的核磁共振法，虽测量精度较高，但对磁场均匀度要求极为苛刻，一旦磁场环境复杂或存在梯度，测量信号就会模糊不清，难以实现精准探测。而新方案借助微纳器件的量子特性，相当于给磁场测量配备了一把微米级的“标尺”，能让原本笼统的“模糊轮廓”式探测，升级为精细到微观层面的“高清地图”式测量，大幅提升复杂磁场环境下的探测精度。
据悉，下一步科研团队将进一步推进该技术的片上阵列化集成，以实现对复杂磁场环境的高密度、高分辨标定，为量子科技、精密仪器等相关领域的科研与应用提供支撑。（科技日报记者 韩荣）