量子化朗道能级藏着"棋盘格"！无液氦超导磁体低温系统助力山西大学Nature Sensors重磅成果

发布日期：2026-09-12

山西大学、合肥国家实验室、中国计量科学研究院以及武汉大学等研究团队合作，在国际权威期刊 Nature Sensors 上发表了题为“Quantized Landau-level crossing checkerboards for cryogenic magnetometry”的重磅研究成果。该工作在大角度扭角双层石墨烯（LA-TBLG）体系中发现了一种由量子化朗道能级交叉引起的“棋盘格”相图，并在此基础上提出了一种全新的极低温高磁场量子磁体测量机制。这一突破性实验的高质量电输运数据，正是在 Quantum Design Oxford旗下的无液氦超导磁体低温系统-TeslatronPT平台上完成的。

突破与发现：朗道能级交叉处的“量子化棋盘格”

在低维量子导体中，电荷传输通常表现出以基本物理常数（如电导量子e²/h或磁通量子h/2e）为单位的离散阶梯特征。然而，在固态体系中能够直接体现量子化跃迁的可物理测量量此前依然非常罕见。

研究团队利用微纳加工技术制备了具有大扭转角（20°–30°）的双栅极双层石墨烯器件。在极低温和高磁场环境下，研究人员对器件进行了高精度的纵向电阻（R_xx）和霍尔电导（R_xy）测定，获得多项关键发现：

1. 解除简并与棋盘格演化：随着垂直磁场的增加，自旋和谷简并度被完全解除，原本低场下的单点状阻态演化成了结构高度规则的4 X 4矩阵棋盘格图案。

图1大角度转角双层石墨烯（LA-TBLG）中，D–n参数空间朗道能级交叉处的等尺寸棋盘格晶胞

2. 朗道能级间的单电子转移：这种等尺寸棋盘格来源于临界位移场（D）驱动的层间电荷转移。在朗道能级交叉点，垂直电场驱动的电荷转移恰好对应于每个磁通量子（即每个朗道轨道）转移一个基本电荷e。

3. 量子化磁场-位移场比例关系：研究定义了一个全新的测量量——位移场与磁场的比值（D/B）。实验证实，在固定填充因子ν下，临界位移场的间隔δD/B严格量子化为电导量子e²/h。

图2在N_b,N_t=[1,2]的朗道能级交叉区域内，固定填充因子ν时D/B量子化的磁场依赖关系

4. 极低温量子磁体应用原型：由于δD与磁场B之间呈现出由冯·克利青常数（h/e²）决定的完美线性关系，研究团队提出了基于大角度扭角双层石墨烯阵列的自校准极低温磁体原型，为微米级高空间分辨率的强磁场平面成像奠定了理论与实验基础。

TeslatronPT：二维量子材料输运研究的可靠实验平台

在本项研究中，高精度的电输运测量是揭示量子化朗道能级交叉细节的关键。研究团队在实验中使用了Quantum Design Oxford的无液氦超导磁体低温系统-TeslatronPT，该系统能够提供极高均匀度和稳定度的磁场环境以及精准的温度控制（1.5 K–300 K），确保在复杂的位移场-磁场（D - B）二维扫描中，弱信号与微小的电阻峰值均能被精确捕捉。

图3 连续8小时温度稳定性

图4 150mK间隔，升场到12T再降到0T的温度稳定性

作为 Quantum Design Oxofrd的极低温物性测量平台，TeslatronPT 凭其超卓的性能为前沿二维材料与量子输运研究提供了坚实的支撑：

• 二维材料与范德华器件的量子输运表征：1.5 K–300 K 精准温控 + 12 T 高稳定磁场，覆盖转角石墨烯、量子霍尔器件的典型测量窗口；

• 微弱信号精密测量：高均匀稳恒磁场与静态交换气样品环境，配合锁相放大等低频电学测量，可分辨微小电阻峰与弱霍尔信号；

• 向毫开尔文温区拓展：配合 HelioxVT 插杆，最低温度可至 300 mK；

• 免液氦运行、显著降低运维成本：无液氦设计摆脱液氦供应依赖，支持顶部装样，样品可在系统保持低温状态下更换。

无液氦超导磁体低温系统-TeslatronPT

结语

从 4×4 量子化棋盘格的清晰成像，到 量子化规律的严格验证，这项成果展示了前沿科学发现与优质测量平台的相互成就。TeslatronPT 不仅是一台磁体系统，更是一套完整的极低温强磁场测量解决方案。

论文信息：

题目：Quantized Landau-level crossing checkerboards for cryogenic magnetometry

期刊：Nature Sensors (2026)

DOI：https://doi.org/10.1038/s44460-025-00018-8