山西大學(xué)與國(guó)內(nèi)外多家單位合作 巧打“中國(guó)結(jié)”給磁場(chǎng)拍出高清照

由山西大學(xué)主導(dǎo)、國(guó)內(nèi)外多家單位合作的科研團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)探測(cè)方法，突破傳統(tǒng)測(cè)量方法限制，將低溫下強(qiáng)磁場(chǎng)測(cè)量的空間分辨率提升至微米量級(jí)，給磁場(chǎng)拍出高清照。相關(guān)成果于北京時(shí)間1月21日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-傳感》。

論文通訊作者、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研究員趙建亭表示，在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)探測(cè)領(lǐng)域，現(xiàn)有的核磁共振法雖然精度高，但對(duì)待測(cè)磁場(chǎng)的均勻度有極高要求，一旦磁場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜或存在梯度，測(cè)量信號(hào)就會(huì)變得模糊，新方法則具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

該科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)類似“搭樂(lè)高”的方式，將兩層單晶石墨烯進(jìn)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(qiáng)磁場(chǎng)下，該體系展現(xiàn)出獨(dú)特的量子化特征——當(dāng)調(diào)節(jié)垂直電位移場(chǎng)和載流子濃度時(shí)，電學(xué)測(cè)量圖譜中呈現(xiàn)出了一個(gè)個(gè)清晰的、類似“中國(guó)結(jié)”的菱形圖案。

圖為量子化“中國(guó)結(jié)”

團(tuán)隊(duì)中的武漢大學(xué)科研人員進(jìn)一步揭示了背后的物理機(jī)制：“中國(guó)結(jié)”的形成源于電子相之間的競(jìng)爭(zhēng)與切換。實(shí)驗(yàn)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(chǎng)范圍內(nèi)均能保持清晰的結(jié)構(gòu)。

基于此，團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的低溫磁傳感方案：利用“中國(guó)結(jié)”圖案中特征峰間距與磁場(chǎng)強(qiáng)度之間的嚴(yán)格線性關(guān)系，只需測(cè)量“中國(guó)結(jié)”中兩個(gè)“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(chǎng)強(qiáng)度。

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

“傳統(tǒng)方法在不均勻磁場(chǎng)中容易‘失焦’，而我們的方法則能進(jìn)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(qiáng)磁場(chǎng)探測(cè)從籠統(tǒng)的“模糊輪廓”進(jìn)化為精細(xì)的“微觀地圖”。下一步，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)推進(jìn)該技術(shù)的片上陣列化集成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境的高密度、高分辨標(biāo)定。

來(lái)源 | 新華社

責(zé)編 | 瑄 瑄

二審 | 范艷華

三審 | 張 捷