返回超纯半导体开辟电子研究新领域

普林斯顿大学的研究人员创造了世界上最纯净的砷化镓样品，这种半导体用于为手机和卫星等技术提供动力的设备。

该团队将他们的材料烘焙到每 100 亿个原子中含有一个杂质，达到的质量水平甚至超过了用于验证一公斤标准的世界上最纯的硅样品。完成的砷化镓芯片是一个约铅笔橡皮擦宽度的正方形，使团队能够深入探索电子的本质。

研究人员没有将这个芯片送到太空，而是将他们的超纯样品带到普林斯顿工程四边形的地下室，在那里他们将其连接起来，将其冷冻到比太空还低的温度，将其包裹在强大的磁场中并施加电压，通过夹在材料结晶层之间的二维平面发送电子。当他们降低磁场时，他们发现了一系列令人惊讶的效应。

结果表明，许多推动当今最先进物理学发展的现象都可以在比以前认为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。研究人员表示，更令人兴奋的是：这些不太严重的条件呈现出没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。

当电子排列成称为维格纳晶体的晶格结构时，一个惊喜出现了。科学家们以前认为维格纳晶体需要极强的磁场，大约 14 特斯拉。“强度足以让青蛙悬浮，”该研究的两位第一作者之一凯文·维勒加斯·罗萨莱斯 (Kevin Villegas Rosales) 说，他最近完成了博士学位。在电气和计算机工程。但这项研究表明，电子可以在不到 1 特斯拉的条件下结晶。“我们只需要超高品质才能看到它们，”他说。

该团队还观察到系统电阻中大约 80% 的“振荡”和所谓的分数量子霍尔效应的更大“激活间隙”，这是凝聚态物理和量子计算的一个关键主题。分数量子霍尔效应最初是由普林斯顿大学的 Arthur Legrand Doty 电气和计算机工程名誉教授 Daniel Tsui 发现的，他因这一发现获得了诺贝尔物理学奖。

这项研究是主要研究人员、电气和计算机工程教授 Mansour Shayegan 与欧洲经委会高级研究学者 Loren Pfeiffer 之间持续合作的一部分。

“我们实验室之间的关系非常好，”Shayegan 说。直到大约十年前，他和当时在贝尔实验室工作的 Pfeiffer 一直保持着友好的竞争，以寻找更纯净的材料，使他们能够研究更有趣的物理问题。然后菲佛加入了普林斯顿。

不再争先恐后，作为同一部门的同事，他们可以自由地合力。他们很快就对之前试图自己回答的问题形成了一种自然的分而治之的方法。在此后的 10 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学的领先方法。