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科学家研制出“最纯”半导体

稿件来源:中国科学报 冯维维 责任编辑:ICAC 发布时间:2021-11-10

  

研究人员创造了世界上最纯的砷化镓样品,图片展示了样品在相对较弱的磁场下的奇异效应。图片来源:普林斯顿大学

  美国研究人员日前研制出世界上最纯净的砷化镓样品。砷化镓是一种半导体,可为手机和卫星等提供动力。

  研究小组将材料烘焙至每100亿个原子中仅含1个杂质的高纯度,这甚至超过了用于验证1公斤标准原型的世界上最纯的硅样品。由此生成的砷化镓芯片是一个铅笔头上橡皮擦大小的正方形结构,使得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入太空,而是将超纯样本带到普林斯顿大学工程学院的地下室,给它通电,并冷冻到比太空更低的温度,然后将其置于一个强大的磁场中,施加电压,同时发送电子穿过夹在材料晶体层之间的二维平面。当他们降低磁场强度时,发现了一系列令人惊讶的效应。

  这项近日发表在《自然—材料》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中观察到。较低的磁场强度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,这些尚未有既定理论框架的物理学效应,为进一步探索量子现象铺平了道路。

  令人惊讶的是,研究小组还在磁场中观测到电子排列成晶格结构,即维格纳晶体现象。科学家之前认为维格纳晶体需要极强的磁场——约14特斯拉。该研究第一作者、普林斯顿大学博士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。”

  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。

  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和高级研究学者Loren Pfeiffer持续合作的一部分。约10年前,Shayegan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。作为同事,他们开始合作,并很快就形成了一种自然的分治方法解决以前一直试图回答的问题。在那之后的十多年里,Pfeiffer团队建造了世界上最好的材料沉积仪器,而Shayegan团队则改进了研究超纯材料的物理学方法。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-021-00942-3 

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