【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，山西大學光電研究所、光量子技術與器件全國重點實驗室董寶娟副教授、韓拯教授研究團隊與國內外多家單位合作，在大角度轉角雙層石墨烯(Large-Angle Twisted Bilayer Graphene, LA-TBLG)體系中發(fā)現(xiàn)了電位移矢量與磁場的比值(D/B)量子化新機制。團隊利用該比值的量子化特性，觀測到了朗道能級交叉點處的量子化“中國結”圖案，并據(jù)此提出一種可用于低溫強磁場環(huán)境下的新原理磁傳感器。相關成果以“Quantized Landau-level crossing checkerboards for cryogenic magnetometry”為題，發(fā)表于Nature Sensors。
 

　　在特定低維量子體系中，電荷輸運可以呈現(xiàn)以基本物理常數(shù)為尺度的離散量子化特征，例如電導量子或在超導體系中出現(xiàn)的磁通量子。這些量子化現(xiàn)象構成了現(xiàn)代量子計量學的重要基礎，也有望為量子計算等領域提供物質單元。然而，迄今為止，能夠展現(xiàn)出量子化物理量的凝聚態(tài)體系并不多見，主要局限于量子霍爾效應、交流約瑟夫森效應等。探索具有新型量子化特征的物理系統(tǒng)，不僅具有重要的基礎物理意義，更能夠為基于新奇量子態(tài)的精密測量提供新的思路。
 

　　研究團隊通過機械剝離和干法轉移技術，制備了高質量的六方氮化硼封裝的大角度(20°-30°)轉角雙層石墨烯器件。強磁場下該體系展現(xiàn)出獨特的層間弱耦合特性，當調節(jié)垂直電位移場(D)和載流子濃度(n)時，朗道能級交叉點在D-n參數(shù)空間中形成了一種尺寸均一的4×4“中國結”狀縱向電阻圖案。這種特殊的“中國結”特征源于電場驅動的層間電荷轉移相變：在朗道能級交叉處，垂直電場驅動電荷在上下兩層朗道軌道之間轉移，這種朗道能級約束下的電荷轉移機制導致了臨界電位移場間隔()的量子化，其數(shù)值等于e/2πlB2(其中l(wèi)B為磁長度)。
 

　　團隊進一步通過理論計算揭示了該現(xiàn)象背后的物理機制：該雙層朗道能級交叉“中國結”內電子相之間切換的臨界電場主要取決于電場驅動的層間極化與庫倫相互作用主導的電容能之間的競爭。實驗表明，在高達30特斯拉磁場下該量子化特征依然穩(wěn)定存在。通過對不同磁場下的電阻峰值進行擬合分析，團隊驗證了在寬磁場范圍內均保持在附近的量子化數(shù)值?；诖?，團隊提出了一種新型的低溫磁傳感方案，利用磁場B與臨界電位移場間隔 D之間的線性關系(其斜率即為馮·克利青常數(shù)Von Klitzing constant，)，只要通過測量量子化“中國結”的間距，即可反推出磁場強度B。這種傳感器原則上具有較高空間分辨率，有望成為新一代低溫強磁場場景下的磁強計。
 

　　該項研究工作由山西大學、遼寧材料實驗室、武漢大學、中國計量科學研究院、中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心、合肥國家實驗室、日本國立材料科學研究所(NIMS)等國內外多家單位合作完成。山西大學董寶娟副教授和趙凱講師為該論文的第一作者，山西大學韓拯教授、山西大學張靖教授、武漢大學吳馮成教授、中國計量科學研究院趙建亭研究員為論文的通訊作者，中國計量科學院趙昌浩、中科院合肥物質科學研究院強磁場科學中心郗傳英、王澤和遼寧材料實驗室路建明研究員等參與了本項研究。研究得到了大科學裝置穩(wěn)態(tài)強磁場WM1的支持，以及國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、山西省“1331工程”重點學科建設基金、科技創(chuàng)新2030“量子通信與量子計算機”國家科技重大專項等項目的支持。