科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞
美國(guó)普林斯頓大學(xué)研究人員在《自然·材料》雜志報(bào)告稱，他們研制出了世界上迄今最純凈的砷化鎵。該砷化鎵樣品的純度達(dá)到每100億個(gè)原子僅含有一個(gè)雜質(zhì)，純度甚至超過(guò)了用于驗(yàn)證一千克標(biāo)準(zhǔn)的世界上最純凈的硅樣品。
普林斯頓科學(xué)家研制出迄今最純凈的砷化鎵半導(dǎo)體樣品。圖片來(lái)源：物理學(xué)家組織網(wǎng)
砷化鎵是一種半導(dǎo)體，主要用于為手機(jī)和衛(wèi)星等提供電力。普林斯頓科學(xué)家研制出迄今最純凈的砷化鎵半導(dǎo)體樣品。圖片來(lái)源：物理學(xué)家組織網(wǎng)新研究得到的砷化鎵樣品呈正方形，邊長(zhǎng)與一塊橡皮擦的寬度相當(dāng)，可用于深入探究電子的本質(zhì)。
為進(jìn)一步研究該超純樣品，研究人員將其冷凍到比太空溫度更低的溫度，隨后將其包裹起來(lái)置于強(qiáng)大的磁場(chǎng)中并施加電壓，讓電子穿越夾在材料晶體層之間的二維平面。當(dāng)他們降低磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一系列令人驚訝的效應(yīng)。
當(dāng)電子排列成一種被稱為維格納晶體的晶格結(jié)構(gòu)時(shí)，研究人員獲得了意外的發(fā)現(xiàn)。科學(xué)家們此前認(rèn)為，要想讓維格納晶體出現(xiàn)，需要極強(qiáng)的磁場(chǎng)——大約14特斯拉。該研究論文作者之一凱文·維萊加斯·羅薩萊斯說(shuō)：“最新研究表明，電子可在不到1特斯拉的條件下結(jié)晶，不過(guò)，需要超高質(zhì)量的樣品才能看到這一現(xiàn)象。”
此外，研究小組還觀察到，系統(tǒng)電阻中的“振蕩”增加了約80%，分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的“激活間隙”變得更大。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)是凝聚態(tài)物理和量子計(jì)算中的一個(gè)關(guān)鍵課題，是凝聚態(tài)物理研究里最重要的成就之一，有望催生很多新奇的應(yīng)用。要解釋這個(gè)效應(yīng)，需要用上量子物理領(lǐng)域最微妙的一些概念。分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)最初由美國(guó)普林斯頓大學(xué)的崔琦發(fā)現(xiàn)，他因這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
研究人員稱，他們的結(jié)果表明，許多推動(dòng)當(dāng)今最先進(jìn)物理學(xué)的現(xiàn)象都可在比以前認(rèn)為的弱得多的磁場(chǎng)下觀察到。較弱的磁場(chǎng)可使更多實(shí)驗(yàn)室研究隱藏在這種二維系統(tǒng)內(nèi)的神秘物理問(wèn)題，為進(jìn)一步探索量子現(xiàn)象鋪平了道路。
總編輯圈點(diǎn)：
高純度能改變很多事情。在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究上，材料的純度對(duì)微電子學(xué)、光電子學(xué)性能影響很大。所以，很多現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，不僅要求高純材料，還要求超純材料，將雜質(zhì)限制在一個(gè)近乎苛刻的范圍內(nèi)。科研人員這次制備出了迄今最高純度的砷化鎵，這是一種重要的半導(dǎo)體材料。他們意外發(fā)現(xiàn)，電子在比預(yù)計(jì)更低的磁場(chǎng)中就可以結(jié)晶。一些奇妙的先進(jìn)的物理學(xué)現(xiàn)象，可以在不那么極致的環(huán)境中就觀測(cè)到，這也有助于相關(guān)基礎(chǔ)研究的推進(jìn)。
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