中外協同攻關！山西大學以 “中國結” 解磁場高清探測難題

由山西大學主導、國內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。相關成果于北京時間1月21日在線發表于國際學術期刊《自然-傳感》。

論文通訊作者、中國計量科學研究院研究員趙建亭表示，在低溫強磁場探測領域，現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，一旦磁場環境復雜或存在梯度，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角堆疊，并用高質量六方氮化硼封裝，構建了微米尺度的大角度轉角雙層石墨烯器件。在強磁場下，該體系展現出獨特的量子化特征——當調節垂直電位移場和載流子濃度時，電學測量圖譜中呈現出了一個個清晰的、類似“中國結”的菱形圖案。

圖為量子化“中國結”

團隊中的武漢大學科研人員進一步揭示了背后的物理機制：“中國結”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定性，在3特斯拉至30特斯拉的寬磁場范圍內均能保持清晰的結構。

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”圖案中特征峰間距與磁場強度之間的嚴格線性關系，只需測量“中國結”中兩個“節”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，相當于給磁場測量提供了一把微米級的“標尺”。

“傳統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?！倍瓕毦瓯硎?，這一方案應用后，有望使低溫強磁場探測從籠統的“模糊輪廓”進化為精細的“微觀地圖”。下一步，團隊將繼續推進該技術的片上陣列化集成，以實現對復雜磁場環境的高密度、高分辨標定。

（責編 黃晶 通訊員 張馨文 編輯 蘭亞丹）