研究人員創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。圖片來源：普林斯頓大學
美國研究人員日前研制出世界上最純凈的砷化鎵樣品。砷化鎵是一種半導體，可為手機和衛星等提供動力。
研究小組將材料烘焙至每100億個原子中僅含1個雜質的高純度，這甚至超過了用于驗證1公斤標準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構，使得研究小組能夠深入研究電子的本質。
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工程學院的地下室，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，同時發送電子穿過夾在材料晶體層之間的二維平面。當他們降低磁場強度時，發現了一系列令人驚訝的效應。
這項近日發表在《自然—材料》的研究表明，許多推動當今最先進物理學的現象，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中的神秘物理問題。更令人興奮的是，根據研究人員的說法，這些尚未有既定理論框架的物理學效應，為進一步探索量子現象鋪平了道路。
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構，即維格納晶體現象。科學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特斯拉的條件下結晶。“我們只是需要超高的質量才能看到這種現象。”
該團隊還觀察到系統電阻中80%以上的“振蕩”，以及被稱為“分數量子霍爾效應”的更大的“激活間隙”。分數量子霍爾效應是凝聚態物理和量子計算的一個關鍵主題。
新研究是普林斯頓大學電子和計算機工程教授、首席研究員Mansour Shayegan和高級研究學者Loren Pfeiffer持續合作的一部分。約10年前，Shayegan和當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。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方法。（馮維維）
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