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較弱的磁場下的奇異效應(yīng)。圖片來源：普林斯頓大學(xué)

　　美國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，可為手機和衛(wèi)星等提供動力。

　　研究小組將材料烘焙至每100億個原子中僅含1個雜質(zhì)的高純度，這甚至超過了用于驗證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，然后將其置于一個強大的磁場中，施加電壓，同時發(fā)送電子穿過夾在材料晶體層之間的二維平面。當(dāng)他們降低磁場強度時，發(fā)現(xiàn)了一系列令人驚訝的效應(yīng)。

　　這項近日發(fā)表在《自然—材料》的研究表明，許多推動當(dāng)今最先進物理學(xué)的現(xiàn)象，可在遠比以前想象的弱得多的磁場中觀察到。較低的磁場強度可以讓更多的實驗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，研究小組還在磁場中觀測到電子排列成晶格結(jié)構(gòu)，即維格納晶體現(xiàn)象。科學(xué)家之前認為維格納晶體需要極強的磁場——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(jié)晶。“我們只是需要超高的質(zhì)量才能看到這種現(xiàn)象。”

　　該團隊還觀察到系統(tǒng)電阻中80%以上的“振蕩”，以及被稱為“分數(shù)量子霍爾效應(yīng)”的更大的“激活間隙”。分數(shù)量子霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理和量子計算的一個關(guān)鍵主題。

　　新研究是普林斯頓大學(xué)電子和計算機工程教授、首席研究員Mansour Shayegan和高級研究學(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(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團隊建造了世界上最好的材料沉積儀器，而Shayegan團隊則改進了研究超純材料的物理學(xué)方法。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-021-00942-3