中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心坐落于安徽省合肥市风景秀丽的科学岛，2008年4月30日经中国科学院批准成立，依托中国科学院合肥物质科学研究院管理（科发人教字〔2008〕133号），其前身是2005年12月20日成立的“合肥强磁场科学技术研究中心”。中心目标：发展强磁... 更多简介 +
稳态强磁场实验装置（SHMFF）是国家“十一五”重大科技基础设施，由中国科学院合肥物质科学研究院与中国科学技术大学联合承建攻关。装置于2008年启动建设，2017年通过国家验收。验收专家组一致认为，SHMFF“磁体技术和综合性能达到国际领先水平”，标志... 更多简介 +
近日，稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户山西大学光电研究所、辽宁材料实验室材料量子调控技术研究所团队与国内外多家单位合作，借助SHMFF水冷磁体WM1的电输运测试系统，在大角度转角双层石墨烯体系中发现了电位移矢量与磁场的比值（D/B）量子化新机制。团队利用该比值的量子化特性，观测到了朗道能级交叉点处的量子化“中国结”图案，并据此提出一种可用于低温强磁场环境下的新原理磁传感器。相关成果以“Quantized Landau-level crossing checkerboards for cryogenic magnetometry”为题发表于Nature Sensors。
量子化现象构成了现代量子计量学的重要基础，也有望为量子计算等领域提供物质单元。然而，迄今为止，能够展现出量子化物理量的凝聚态体系并不多见，主要局限于量子霍尔效应、交流约瑟夫森效应等。探索具有新型量子化特征的物理系统，不仅具有重要的基础物理意义，更能够为基于新奇量子态的精密测量提供新思路。
研究团队发现大角度转角双层石墨烯器件在低温强磁场环境下展现出独特的层间弱耦合特性，朗道能级交叉点在调节垂直电位移场（D）和载流子浓度（n）参数空间中形成了一种尺寸均一的44“中国结”状纵向电阻图案（图1）。研究表明这种特殊的“中国结”特征源于电场驱动的层间电荷转移相变：在朗道能级交叉处，垂直电场驱动电荷在上下两层朗道轨道之间转移（图2. a-b），这种朗道能级约束下的电荷转移机制导致了临界电位移场间隔（δD）的量子化，其数值等于e/2πlB2（其中lB为磁长度）。该双层朗道能级交叉“中国结”内电子相之间切换的临界电场主要取决于电场驱动的层间极化与库伦相互作用主导的电容能之间的竞争。
图1. 大角度转角石墨烯（LA-TBLG）器件结构与电磁输运特性
图2. 垂直电场-磁场比值量子化示意图
研究团队利用水冷磁体WM1的电输运测试系统验证了δD/B在宽磁场范围内（3到30 T）均保持在e2/h附近的量子化数值。基于此，团队提出了一种新型的低温磁传感方案（图3），利用磁场B与临界电位移场间隔 D之间的线性关系（其斜率即为冯·克利青常数Von Klitzing constant，h/e2），只要通过测量量子化“中国结”的间距（图3. d），即可反推出磁场强度B。这种传感器原则上具有较高空间分辨率（图3. a-c），有望成为低温强磁场场景下的新原理磁强计。
图3. 基于量子化朗道能级交叉的低温磁强计
该项研究由山西大学、辽宁材料实验室、武汉大学、中国计量科学研究院、中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心、日本国立材料科学研究所（NIMS）等国内外多家单位合作完成。此项工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、山西省“1331工程”重点学科建设基金、科技创新2030“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项等项目的支持。
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