近期，山西大学光电研究所、光量子技术与器件全国重点实验室董宝娟副教授、韩拯教授研究团队与国内外多家单位合作，在大角度转角双层石墨烯（Large-Angle Twisted Bilayer Graphene, LA-TBLG）体系中发现了电位移矢量与磁场的比值（D/B）量子化新机制。团队利用该比值的量子化特性，观测到了朗道能级交叉点处的量子化“中国结”图案，并据此提出一种可用于低温强磁场环境下的新原理磁传感器。相关成果以“Quantized Landau-level crossing checkerboards for cryogenic magnetometry”为题，发表于Nature Sensors。

在特定低维量子体系中，电荷输运可以呈现以基本物理常数为尺度的离散量子化特征，例如电导量子  或在超导体系中出现的磁通量子 。这些量子化现象构成了现代量子计量学的重要基础，也有望为量子计算等领域提供物质单元。然而，迄今为止，能够展现出量子化物理量的凝聚态体系并不多见，主要局限于量子霍尔效应、交流约瑟夫森效应等。探索具有新型量子化特征的物理系统，不仅具有重要的基础物理意义，更能够为基于新奇量子态的精密测量提供新的思路。

研究团队通过机械剥离和干法转移技术，制备了高质量的六方氮化硼封装的大角度（20°-30°）转角双层石墨烯器件（图1. a-b）。强磁场下该体系展现出独特的层间弱耦合特性，当调节垂直电位移场（D）和载流子浓度（n）时，朗道能级交叉点在D-n参数空间中形成了一种尺寸均一的4×4“中国结”状纵向电阻图案（图1. c-d）。这种特殊的“中国结”特征源于电场驱动的层间电荷转移相变：在朗道能级交叉处，垂直电场驱动电荷在上下两层朗道轨道之间转移（图2. a-b），这种朗道能级约束下的电荷转移机制导致了临界电位移场间隔（）的量子化，其数值等于e/2πlB2（其中lB为磁长度）。

团队进一步通过理论计算揭示了该现象背后的物理机制：该双层朗道能级交叉“中国结”内电子相之间切换的临界电场主要取决于电场驱动的层间极化与库伦相互作用主导的电容能之间的竞争。实验表明，在高达30特斯拉磁场下该量子化特征依然稳定存在。通过对不同磁场下的电阻峰值进行拟合分析，团队验证了  在宽磁场范围内均保持在  附近的量子化数值。基于此，团队提出了一种新型的低温磁传感方案（图3），利用磁场B与临界电位移场间隔 D之间的线性关系（其斜率即为冯·克利青常数Von Klitzing constant，），只要通过测量量子化“中国结”的间距 （图3. d），即可反推出磁场强度B。这种传感器原则上具有较高空间分辨率（图3. a-c），有望成为新一代低温强磁场场景下的磁强计。

该项研究工作由山西大学、辽宁材料实验室、武汉大学、中国计量科学研究院、中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心、合肥国家实验室、日本国立材料科学研究所（NIMS）等国内外多家单位合作完成。研究所董宝娟副教授和赵凯讲师为该论文的第一作者，研究所韩拯教授、张靖教授、武汉大学吴冯成教授、中国计量科学研究院赵建亭研究员为论文的通讯作者，中国计量科学院赵昌浩、中科院合肥物质科学研究院强磁场科学中心郗传英、王泽和辽宁材料实验室路建明研究员等参与了本项研究。研究得到了大科学装置稳态强磁场WM1的支持，以及国家重点研发计划、国家自然科学基金、山西省“1331工程”重点学科建设基金、科技创新2030“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项等项目的支持。