由山西大學(xué)主導(dǎo)、國內(nèi)外多家單位合作的科研團隊提出了一種全新的低溫強磁場探測方法，突破傳統(tǒng)測量方法限制，將低溫下強磁場測量的空間分辨率提升至微米量級，給磁場拍出高清照。相關(guān)成果于北京時間1月21日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然-傳感》。

論文通訊作者、中國計量科學(xué)研究院研究員趙建亭表示，在低溫強磁場探測領(lǐng)域，現(xiàn)有的核磁共振法雖然精度高，但對待測磁場的均勻度有極高要求，一旦磁場環(huán)境復(fù)雜或存在梯度，測量信號就會變得模糊，新方法則具有獨特的優(yōu)勢。

該科研團隊通過類似“搭樂高”的方式，將兩層單晶石墨烯進行精確的轉(zhuǎn)角堆疊，并用高質(zhì)量六方氮化硼封裝，構(gòu)建了微米尺度的大角度轉(zhuǎn)角雙層石墨烯器件。在強磁場下，該體系展現(xiàn)出獨特的量子化特征——當(dāng)調(diào)節(jié)垂直電位移場和載流子濃度時，電學(xué)測量圖譜中呈現(xiàn)出了一個個清晰的、類似“中國結(jié)”的菱形圖案。

圖為量子化“中國結(jié)”。（受訪單位供圖）

團隊中的武漢大學(xué)科研人員進一步揭示了背后的物理機制：“中國結(jié)”的形成源于電子相之間的競爭與切換。實驗表明，這種量子化特征具有極高的穩(wěn)定性，在3特斯拉至30特斯拉的寬磁場范圍內(nèi)均能保持清晰的結(jié)構(gòu)。

基于此，團隊提出了一種新型的低溫磁傳感方案：利用“中國結(jié)”圖案中特征峰間距與磁場強度之間的嚴(yán)格線性關(guān)系，只需測量“中國結(jié)”中兩個“節(jié)”之間的間距，即可如同讀取刻度尺一樣，精確反推出磁場強度。

論文第一作者、山西大學(xué)光電研究所副教授董寶娟說，新方案利用了微納器件的量子特性，相當(dāng)于給磁場測量提供了一把微米級的“標(biāo)尺”。

“傳統(tǒng)方法在不均勻磁場中容易‘失焦’，而我們的方法則能進行局域的高分辨率解析。”董寶娟表示，這一方案應(yīng)用后，有望使低溫強磁場探測從籠統(tǒng)的“模糊輪廓”進化為精細(xì)的“微觀地圖”。下一步，團隊將繼續(xù)推進該技術(shù)的片上陣列化集成，以實現(xiàn)對復(fù)雜磁場環(huán)境的高密度、高分辨標(biāo)定。