【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，山西大學(xué)光電研究所、光量子技術(shù)與器件全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室董寶娟副教授、韓拯教授研究團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外多家單位合作，在大角度轉(zhuǎn)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(chǎng)的比值(D/B)量子化新機(jī)制。團(tuán)隊(duì)利用該比值的量子化特性，觀測(cè)到了朗道能級(jí)交叉點(diǎn)處的量子化“中國(guó)結(jié)”圖案，并據(jù)此提出一種可用于低溫強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的新原理磁傳感器。相關(guān)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(yùn)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(dǎo)量子或在超導(dǎo)體系中出現(xiàn)的磁通量子。這些量子化現(xiàn)象構(gòu)成了現(xiàn)代量子計(jì)量學(xué)的重要基礎(chǔ)，也有望為量子計(jì)算等領(lǐng)域提供物質(zhì)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(yīng)、交流約瑟夫森效應(yīng)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(chǔ)物理意義，更能夠?yàn)榛谛缕媪孔討B(tài)的精密測(cè)量提供新的思路。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過機(jī)械剝離和干法轉(zhuǎn)移技術(shù)，制備了高質(zhì)量的六方氮化硼封裝的大角度(20°-30°)轉(zhuǎn)角雙層石墨烯器件。強(qiáng)磁場(chǎng)下該體系展現(xiàn)出獨(dú)特的層間弱耦合特性，當(dāng)調(diào)節(jié)垂直電位移場(chǎng)(D)和載流子濃度(n)時(shí)，朗道能級(jí)交叉點(diǎn)在D-n參數(shù)空間中形成了一種尺寸均一的4×4“中國(guó)結(jié)”狀縱向電阻圖案。這種特殊的“中國(guó)結(jié)”特征源于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的層間電荷轉(zhuǎn)移相變：在朗道能級(jí)交叉處，垂直電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電荷在上下兩層朗道軌道之間轉(zhuǎn)移，這種朗道能級(jí)約束下的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制導(dǎo)致了臨界電位移場(chǎng)間隔()的量子化，其數(shù)值等于e/2πlB2(其中l(wèi)B為磁長(zhǎng)度)。
 

　　團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過理論計(jì)算揭示了該現(xiàn)象背后的物理機(jī)制：該雙層朗道能級(jí)交叉“中國(guó)結(jié)”內(nèi)電子相之間切換的臨界電場(chǎng)主要取決于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)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)。實(shí)驗(yàn)表明，在高達(dá)30特斯拉磁場(chǎng)下該量子化特征依然穩(wěn)定存在。通過對(duì)不同磁場(chǎng)下的電阻峰值進(jìn)行擬合分析，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了在寬磁場(chǎng)范圍內(nèi)均保持在附近的量子化數(shù)值。基于此，團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的低溫磁傳感方案，利用磁場(chǎng)B與臨界電位移場(chǎng)間隔 D之間的線性關(guān)系(其斜率即為馮·克利青常數(shù)Von Klitzing constant，)，只要通過測(cè)量量子化“中國(guó)結(jié)”的間距，即可反推出磁場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)磁場(chǎng)場(chǎng)景下的磁強(qiáng)計(jì)。
 

　　該項(xiàng)研究工作由山西大學(xué)、遼寧材料實(shí)驗(yàn)室、武漢大學(xué)、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、日本國(guó)立材料科學(xué)研究所(NIMS)等國(guó)內(nèi)外多家單位合作完成。山西大學(xué)董寶娟副教授和趙凱講師為該論文的第一作者，山西大學(xué)韓拯教授、山西大學(xué)張靖教授、武漢大學(xué)吳馮成教授、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院趙建亭研究員為論文的通訊作者，中國(guó)計(jì)量科學(xué)院趙昌浩、中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心郗傳英、王澤和遼寧材料實(shí)驗(yàn)室路建明研究員等參與了本項(xiàng)研究。研究得到了大科學(xué)裝置穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)WM1的支持，以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、山西省“1331工程”重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)基金、科技創(chuàng)新2030“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”國(guó)家科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。