用世界上最纯净的砷化镓样品深入探索电子的本质

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中。

该团队将他们的材料烘焙到每 100 亿个原子中的一种杂质，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。完成的砷化镓芯片大约有铅笔橡皮那么宽，使研究小组能够深入探究电子的本质。

研究人员没有将这种芯片送入太空，而是将他们的超纯样品带到普林斯顿大学工程四合院的地下室，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，然后应用电压，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果。

发表在Nature Materials上的研究结果表明，许多推动当今最先进物理学的现象可以在比以前认为的要弱得多的磁场下观察到。较低的磁场可以使更多的实验室能够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。

当电子排列成被称为维格纳晶体的晶格结构时，一个惊喜出现了。科学家们之前认为维格纳晶体需要极强的磁场，大约 14 特斯拉。“强大到足以让一只青蛙漂浮起来，”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。但这项研究表明，电子可以在不到 1 特斯拉的情况下结晶。“我们只需要超高的质量才能看到它们，”他说。

该团队还观察到系统电阻的“振荡”增加了大约 80%，所谓的分数量子霍尔效应的“激活间隙”更大，这是凝聚态物理和量子计算的一个关键课题。分数量子霍尔效应最初是由普林斯顿大学电气与计算机工程的 Arthur Legrand Doty 名誉教授 Daniel Tsui 发现的，他因此获得了诺贝尔物理学奖。

这项研究是首席研究员、电气和计算机工程教授 Mansour Shayegan 和 ECE 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，寻找更纯净的材料，让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。

不再互相争强好胜，作为同一部门的同事，他们可以自由地联合力量。他们很快开发出一种自然的分而治之的方法来解决他们以前试图自己回答的问题。从那以后的 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所揭示的物理学的领先方法。

除了合作解决他们的研究之外，这两位研究人员还共同为在他们实验室工作的许多研究生提供建议，包括该论文的另一位第一作者 Villegas Rosales 和 Edwin Chung。钟还获得了博士学位。今年和现在是同一组的博士后研究员。Villegas Rosales 此后加入量子计算初创公司 Quantum Machines，担任工程师。

这篇题为“超高质量二维电子系统”的论文于 2021 年 2 月 25 日发表在 Nature Materials 上，得到了美国国家科学基金会、戈登和贝蒂摩尔基金会以及美国能源部的资助。其他作者包括普林斯顿大学的研究生 Pranav Madathil 和高级研究员 Kirk W. Baldwin 和 KW West。