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作者:冯维维 来源:中国科学报 发布时间:2021/11/9 15:55:36
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超纯半导体开辟电子研究新领域

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普林斯顿大学的研究人员创造了世界上最纯的砷化镓样品,这是用于卫星等专门系统的一种半导体。照片显示了观察二维平面电子的实验装置内的样品。样品的纯度揭示了在相对较弱的磁场下的奇异效应,这种效应尚未有确定的理论框架。图片来源:普林斯顿大学

美国普林斯顿大学的研究人员研制出了世界上最纯净的砷化镓样品。砷化镓是一种半导体,用于为手机和卫星等技术提供动力。

研究小组将材料烘焙至每100亿个原子中仅含有1个杂质的高纯度,其质量甚至超过了用于验证1公斤标准的世界上最纯的硅样品。由此完成的砷化镓芯片是一个约铅笔橡皮擦宽度的正方形,使研究小组能够深入研究电子的本质。

他们没有把这个芯片送到太空,而是将超纯样本带到普林斯顿大学工程院的地下室,给它通电,将其冷冻到比太空更低的温度,然后包裹在一个强大的磁场中,施加电压,发送电子穿过夹在材料晶体层之间的二维平面。当他们降低磁场时,发现了一系列令人惊讶的效应。

这项近日发表在《自然—材料》上的研究表明,许多推动当今最先进物理学的现象,可在远比以前想象的弱得多的磁场下观察到。较低的磁场可以让更多的实验室研究隐藏在这种二维系统中的神秘物理问题。更令人兴奋的是,根据研究人员的说法,这些条件呈现了尚未有既定理论框架的物理学,为进一步探索量子现象铺平了道路。

令人惊讶的是,科学家还观测到电子排列成晶格结构,即维格纳晶体的现象??蒲Ъ抑叭衔衲删逍枰康拇懦?,约14特斯拉。该研究两位第一作者之一、最近刚获得该校电子和计算机工程博士学位的Kevin Villegas Rosales说:“这种强度足以让一只青蛙悬浮起来。”但这项研究表明,电子可以在不到1特斯拉的条件下结晶。“我们只是需要超高的质量才能看到这种现象。”他说。

该团队还观察到系统电阻中80%以上的“振荡”,以及被称为“分数量子霍尔效应”的更大的“激活间隙”,分数量子霍尔效应是凝聚态物理和量子计算的一个关键主题,最初由普林斯顿大学电子与计算机工程名誉教授崔琦发现的,他因这一发现获得了诺贝尔物理学奖。

新研究是普林斯顿大学电子和计算机工程教授、首席研究员Mansour Shayegan和该校高级研究学者Loren Pfeiffer之间持续合作的一部分。“我们的实验室之间有一种奇妙的关系。”Shayegan说。约十年前,他和当时在贝尔实验室工作的Pfeiffer在寻找更纯净的材料方面一直保持着友好的竞争,这使他们能够研究更有趣的物理问题。后来,Pfeiffer加入了普林斯顿大学。

他们不再试图胜过对方,作为同一部门的同事,他们开始合作,很快就形成了一种自然的分治方法来解决以前一直试图回答的问题。在那之后的十多年里,Pfeiffer的团队建造了世界上最好的材料沉积仪器之一,而Shayegan的团队则改进了研究超纯材料揭示的物理的领先方法。除了合作研究,两位研究人员还共同指导了许多研究生,包括Villegas Rosales和论文的另一位第一作者Edwin Chung。

相关论文信息:

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

 
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