近日,穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(SHMFF)用戶山西大學光電研究所、遼寧材料實驗室材料量子調(diào)控技術研究所團隊與國內(nèi)外多家單位合作,借助SHMFF水冷磁體WM1的電輸運測試系統(tǒng),在大角度轉(zhuǎn)角雙層石墨烯體系中發(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(jié)”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。
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(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、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)的精密測量提供新思路。
????研究團隊發(fā)現(xiàn)大角度轉(zhuǎn)角雙層石墨烯器件在低溫強磁場環(huán)境下展現(xiàn)出獨特的層間弱耦合特性,朗道能級交叉點在調(diào)節(jié)垂直電位移場(D)和載流子濃度(n)參數(shù)空間中形成了一種尺寸均一的4
4“中國結(jié)”狀縱向電阻圖案(圖1)。研究表明這種特殊的“中國結(jié)”特征源于電場驅(qū)動的層間電荷轉(zhuǎn)移相變:在朗道能級交叉處,垂直電場驅(qū)動電荷在上下兩層朗道軌道之間轉(zhuǎn)移(圖2. a-b),這種朗道能級約束下的電荷轉(zhuǎn)移機制導致了臨界電位移場間隔(δD)的量子化,其數(shù)值等于e/2πl(wèi)B2(其中l(wèi)B為磁長度)。該雙層朗道能級交叉“中國結(jié)”內(nèi)電子相之間切換的臨界電場主要取決于電場驅(qū)動的層間極化與庫倫相互作用主導的電容能之間的競爭。

圖1. 大角度轉(zhuǎn)角石墨烯(LA-TBLG)器件結(jié)構與電磁輸運特性

圖2. 垂直電場-磁場比值量子化示意圖
研究團隊利用水冷磁體WM1的電輸運測試系統(tǒng)驗證了δD/B在寬磁場范圍內(nèi)(3到30 T)均保持在e2/h附近的量子化數(shù)值。基于此,團隊提出了一種新型的低溫磁傳感方案(圖3),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,h/e2),只要通過測量量子化“中國結(jié)”的間距(圖3. d),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(圖3. a-c),有望成為低溫強磁場場景下的新原理磁強計。

圖3. 基于量子化朗道能級交叉的低溫磁強計
該項研究由山西大學、遼寧材料實驗室、武漢大學、中國計量科學研究院、中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心、日本國立材料科學研究所(NIMS)等國內(nèi)外多家單位合作完成。此項工作獲得國家重點研發(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。