山西大学/武汉大学/中国计量院,新发Nature Sensors!

在现代物理学中，低维量子材料的研究一直是前沿领域，尤其是在量子计算、量子计量学和高精度传感器技术中具有重要的应用潜力。近年来，随着对量子霍尔效应等现象的深入研究，科学家们逐渐发现，这些低维系统中的电荷传输在特定条件下会表现出量子化的特征，即其导电性以量子单位e2/h （其中e是电子电荷，h是普朗克常数）呈现离散化。这种量子化现象不仅为量子技术的发展提供了新的可能性，也为高精度磁场测量等应用带来了新的思路。然而，目前能够实现量子化物理量的材料非常有限，且在高磁场下的量子化现象研究仍有待深入。因此，探索新的量子化现象及其在低温磁场测量中的应用，不仅具有重要的科学意义，也为相关技术的发展提供了新的方向。

本研究聚焦于大角度双层石墨烯（LA-TBLG）在高磁场下的量子化现象，旨在探索其在低温磁场测量中的潜在应用。通过精确控制石墨烯层间的扭转角度和外加电场，山西大学韩拯教授、张靖院士、武汉大学吴冯成教授以及中国计量院赵建亭教授等人观察到一种新型的量子化现象：在特定的磁场和电场条件下，层间电荷转移导致了等尺寸的“棋盘格”图案在位移场与磁场比值（D/B ）空间中出现。这些量子化的棋盘格图案不仅揭示了层间电荷转移的微观机制，还为高精度磁场测量提供了一种新的方法。基于此现象，团队提出了一种新型的低温磁力计原型，利用大角度双层石墨烯传感器阵列实现微米级分辨率的磁场分布成像。这一发现不仅丰富了量子霍尔效应的研究内容，也为低温高磁场测量技术的发展提供了新的思路和工具。

图 1. LA-TBLG 中 D–n 空间 LL 交叉处的等大棋盘格胞

图 2. 在 LL 交叉区[Nb, Nt] = [1,2]中，层间电荷转移相变在固定的ν 处的量子化 D/B 跳跃

图3. 在[Nb, Nt] = [1, 2]的 LL 交叉面积中， 固定 ν处 D/B 量子化的磁场依赖性

图 4. 子化 LL 交叉棋盘格作为低温磁力测量传感器

本研究通过实验和理论分析，揭示了大角度双层石墨烯（LA-TBLG）在高磁场下量子霍尔效应中的新奇量子化现象。研究发现，在特定的磁场和电场条件下，LA-TBLG中出现等尺寸的4×4“棋盘格”图案，其物理起源是层间电荷转移导致的量子化位移场与磁场比值（\(D/B\)），且该比值的量子化间隔为 \(e^2/h\)。这一发现不仅丰富了量子霍尔效应的研究内容，还为低温高磁场测量提供了一种全新的量子化方法。基于此现象，研究团队提出了基于LA-TBLG的低温磁力计原型，有望实现微米级分辨率的磁场分布成像，为高精度磁场测量技术的发展提供了新的方向。未来的研究方向可能包括进一步优化器件结构以提高磁力计的灵敏度和稳定性，探索不同扭转角度和材料体系中的类似量子化现象，以及开发大规模集成的量子传感器阵列，以实现更广泛的应用场景，如量子计算中的磁场调控和低温物理实验中的高精度磁场测量。

Dong, B., Zhao, K., Wang, Z. et al. Quantized Landau-level crossing checkerboards for cryogenic magnetometry. Nat. Sens. (2026).

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