研究人員創(chuàng)造了世界上最純的砷化鎵樣品，圖片展示了樣品在相對(duì)較弱的磁場(chǎng)下的奇異效應(yīng)。圖片來源：普林斯頓大學(xué)

　　美國(guó)研究人員日前研制出世界上最純凈的砷化鎵樣品。砷化鎵是一種半導(dǎo)體，可為手機(jī)和衛(wèi)星等提供動(dòng)力。

　　研究小組將材料烘焙至每100億個(gè)原子中僅含1個(gè)雜質(zhì)的高純度，這甚至超過了用于驗(yàn)證1公斤標(biāo)準(zhǔn)原型的世界上最純的硅樣品。由此生成的砷化鎵芯片是一個(gè)鉛筆頭上橡皮擦大小的正方形結(jié)構(gòu)，使得研究小組能夠深入研究電子的本質(zhì)。

　　他們沒有把這個(gè)芯片送入太空，而是將超純樣本帶到普林斯頓大學(xué)工程學(xué)院的地下室，給它通電，并冷凍到比太空更低的溫度，然后將其置于一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)中，施加電壓，同時(shí)發(fā)送電子穿過夾在材料晶體層之間的二維平面。當(dāng)他們降低磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一系列令人驚訝的效應(yīng)。

　　這項(xiàng)近日發(fā)表在《自然—材料》的研究表明，許多推動(dòng)當(dāng)今最先進(jìn)物理學(xué)的現(xiàn)象，可在遠(yuǎn)比以前想象的弱得多的磁場(chǎng)中觀察到。較低的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以讓更多的實(shí)驗(yàn)室研究隱藏在這種二維系統(tǒng)中的神秘物理問題。更令人興奮的是，根據(jù)研究人員的說法，這些尚未有既定理論框架的物理學(xué)效應(yīng)，為進(jìn)一步探索量子現(xiàn)象鋪平了道路。

　　令人驚訝的是，研究小組還在磁場(chǎng)中觀測(cè)到電子排列成晶格結(jié)構(gòu)，即維格納晶體現(xiàn)象。科學(xué)家之前認(rèn)為維格納晶體需要極強(qiáng)的磁場(chǎng)——約14特斯拉。該研究第一作者、普林斯頓大學(xué)博士Kevin Villegas Rosales說：“這種強(qiáng)度足以讓一只青蛙懸浮起來。”但這項(xiàng)研究表明，電子可以在不到1特斯拉的條件下結(jié)晶。“我們只是需要超高的質(zhì)量才能看到這種現(xiàn)象。”

　　該團(tuán)隊(duì)還觀察到系統(tǒng)電阻中80%以上的“振蕩”，以及被稱為“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”的更大的“激活間隙”。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理和量子計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵主題。

　　新研究是普林斯頓大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程教授、首席研究員Mansour Shayegan和高級(jí)研究學(xué)者Loren Pfeiffer持續(xù)合作的一部分。約10年前，Shayegan和當(dāng)時(shí)在貝爾實(shí)驗(yàn)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(jìng)爭(zhēng)，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(xué)。作為同事，他們開始合作，并很快就形成了一種自然的分治方法解決以前一直試圖回答的問題。在那之后的十多年里，Pfeiffer團(tuán)隊(duì)建造了世界上最好的材料沉積儀器，而Shayegan團(tuán)隊(duì)則改進(jìn)了研究超純材料的物理學(xué)方法。