超純半導體開辟電子研究新領域

　　普林斯頓大學的研究人員創造了世界上最純的砷化鎵樣品，這是用于衛星等專門系統的一種半導體。照片顯示了觀察二維平面電子的實驗裝置內的樣品。樣品的純度揭示了在相對較弱的磁場下的奇異效應，這種效應尚未有確定的理論框架。

　　美國普林斯頓大學的研究人員研制出了世界上最純凈的砷化鎵樣品。砷化鎵是一種半導體，用于為手機和衛星等技術提供動力。

　　研究小組將材料烘焙至每100億個原子中僅含有1個雜質的高純度，其質量甚至超過了用于驗證1公斤標準的世界上最純的硅樣品。由此完成的砷化鎵芯片是一個約鉛筆橡皮擦寬度的正方形，使研究小組能夠深入研究電子的本質。

　　他們沒有把這個芯片送到太空，而是將超純樣本帶到普林斯頓大學工程院的地下室，給它通電，將其冷凍到比太空更低的溫度，然后包裹在一個強大的磁場中，施加電壓，發送電子穿過夾在材料晶體層之間的二維平面。當他們降低磁場時，發現了一系列令人驚訝的效應。

　　這項近日發表在《自然—材料》上的研究表明，許多推動當今最先進物理學的現象，可在遠比以前想象的弱得多的磁場下觀察到。較低的磁場可以讓更多的實驗室研究隱藏在這種二維系統中的神秘物理問題。更令人興奮的是，根據研究人員的說法，這些條件呈現了尚未有既定理論框架的物理學，為進一步探索量子現象鋪平了道路。

　　令人驚訝的是，科學家還觀測到電子排列成晶格結構，即維格納晶體的現象。科學家之前認為維格納晶體需要極強的磁場，約14特斯拉。該研究兩位第一作者之一、最近剛獲得該校電子和計算機工程博士學位的Kevin Villegas Rosales說：“這種強度足以讓一只青蛙懸浮起來。”但這項研究表明，電子可以在不到1特斯拉的條件下結晶。“我們只是需要超高的質量才能看到這種現象。”他說。

　　該團隊還觀察到系統電阻中80%以上的“振蕩”，以及被稱為“分數量子霍爾效應”的更大的“激活間隙”，分數量子霍爾效應是凝聚態物理和量子計算的一個關鍵主題，最初由普林斯頓大學電子與計算機工程名譽教授崔琦發現的，他因這一發現獲得了諾貝爾物理學獎。

　　新研究是普林斯頓大學電子和計算機工程教授、首席研究員Mansour Shayegan和該校高級研究學者Loren Pfeiffer之間持續合作的一部分。“我們的實驗室之間有一種奇妙的關系。”Shayegan說。約十年前，他和當時在貝爾實驗室工作的Pfeiffer在尋找更純凈的材料方面一直保持著友好的競爭，這使他們能夠研究更有趣的物理問題。后來，Pfeiffer加入了普林斯頓大學。

　　他們不再試圖勝過對方，作為同一部門的同事，他們開始合作，很快就形成了一種自然的分治方法來解決以前一直試圖回答的問題。在那之后的十多年里，Pfeiffer的團隊建造了世界上最好的材料沉積儀器之一，而Shayegan的團隊則改進了研究超純材料揭示的物理的領先方法。除了合作研究，兩位研究人員還共同指導了許多研究生，包括Villegas Rosales和論文的另一位第一作者Edwin Chung。

　　相關論文信息：

　　https://doi.org/10.1038/s41563-021-00942-3