Khám phá sâu vào bản chất của các electron với mẫu gali Arsenide tinh khiết nhất thế giới

Các nhà nghiên cứu của Princeton đã tạo ra mẫu gali arsenide tinh khiết nhất thế giới, một chất bán dẫn được sử dụng trong các thiết bị cung cấp năng lượng cho các công nghệ như điện thoại di động và vệ tinh.

Nhóm nghiên cứu đã nung vật liệu của họ xuống một tạp chất cho mỗi 10 tỷ nguyên tử, đạt đến mức chất lượng vượt xa ngay cả mẫu silicon tinh khiết nhất thế giới được sử dụng để xác minh tiêu chuẩn một kg. Con chip arsenide gali thành phẩm, một hình vuông có chiều rộng bằng một cục tẩy bút chì, cho phép nhóm nghiên cứu thăm dò sâu vào bản chất của các electron.

Thay vì gửi con chip này vào không gian, các nhà nghiên cứu đã đưa mẫu siêu tinh khiết của họ xuống tầng hầm của tứ giác kỹ thuật Princeton, nơi họ nối dây nó lên, đóng băng nó ở nhiệt độ lạnh hơn không gian, bao bọc nó trong một từ trường mạnh và áp dụng một điện áp, đưa các electron qua mặt phẳng hai chiều kẹp giữa các lớp tinh thể của vật liệu. Khi hạ thấp từ trường, họ nhận thấy một loạt các hiệu ứng đáng ngạc nhiên.

Kết quả được công bố trên tạp chí Nature Materials cho thấy nhiều hiện tượng thúc đẩy vật lý tiên tiến nhất hiện nay có thể được quan sát dưới từ trường yếu hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây. Từ trường thấp hơn có thể trao quyền cho nhiều phòng thí nghiệm hơn để nghiên cứu các vấn đề vật lý bí ẩn bị chôn vùi trong các hệ thống hai chiều như vậy. Thú vị hơn, theo các nhà nghiên cứu: Những điều kiện ít khắc nghiệt hơn này cho thấy vật lý chưa có khung lý thuyết vững chắc, mở đường cho việc khám phá sâu hơn các hiện tượng lượng tử.

Một điều ngạc nhiên đã xảy ra khi các electron liên kết thành một cấu trúc mạng được gọi là tinh thể Wigner. Các nhà khoa học trước đây cho rằng tinh thể Wigner yêu cầu từ trường cực mạnh, khoảng 14 Tesla. Kevin Villegas Rosales, một trong hai tác giả đầu tiên của nghiên cứu, người vừa hoàn thành bằng Tiến sĩ cho biết: “Đủ mạnh để có thể bay một con ếch. trong kỹ thuật điện và máy tính. Nhưng nghiên cứu này đã chỉ ra rằng các electron có thể kết tinh với tốc độ ít hơn một Tesla. “Chúng tôi chỉ cần chất lượng cực cao để xem chúng,” anh nói.

Nhóm nghiên cứu cũng quan sát thấy thêm khoảng 80% “dao động” trong điện trở của hệ thống và “khoảng cách kích hoạt” lớn hơn của cái gọi là hiệu ứng Hall lượng tử phân đoạn, một chủ đề quan trọng trong vật lý vật chất cô đặc và tính toán lượng tử. Hiệu ứng Hall lượng tử phân đoạn ban đầu được phát hiện bởi Daniel Tsui, Giáo sư kỹ thuật điện và máy tính của Princeton, Arthur Legrand Doty, người đã nhận giải Nobel vật lý cho khám phá của mình.

Nghiên cứu này là một phần của sự hợp tác liên tục giữa các nhà điều tra chính Mansour Shayegan, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính, và Loren Pfeiffer, một học giả nghiên cứu cấp cao tại ECE.

Shayegan nói: “Có một mối quan hệ tuyệt vời giữa các phòng thí nghiệm của chúng tôi. Cho đến khoảng một thập kỷ trước, ông và Pfeiffer, lúc đó làm việc cho Bell Labs, đã duy trì một cuộc cạnh tranh thân thiện nhằm tìm kiếm những vật liệu tinh khiết hơn bao giờ hết cho phép họ nghiên cứu những vấn đề vật lý thú vị hơn bao giờ hết. Sau đó Pfeiffer gia nhập Princeton.

Không còn cố gắng để tốt nhất lẫn nhau, như những đồng nghiệp trong cùng một bộ phận, họ đã tự do kết hợp lực lượng. Họ nhanh chóng phát triển một phương pháp chia để trị tự nhiên đối với những câu hỏi mà trước đây họ đã cố gắng tự trả lời. Trong hơn 10 năm kể từ đó, nhóm của Pfeiffer đã chế tạo một trong những công cụ lắng đọng vật chất tốt nhất thế giới trong khi Shayegan’s đã cải tiến các phương pháp hàng đầu để nghiên cứu vật lý mà những vật liệu siêu tinh khiết tiết lộ.

Tham khảo: “Hệ thống electron hai chiều chất lượng cực cao” của Yoon Jang Chung, KA Villegas Rosales, KW Baldwin, PT Madathil, KW West, M. Shayegan và LN Pfeiffer, ngày 25 tháng 2 năm 2021, Vật liệu tự nhiên .
DOI: 10.1038 / s41563-021-00942-3

Ngoài việc hợp tác giải quyết nghiên cứu của họ, hai nhà điều tra này còn đồng tư vấn cho nhiều nghiên cứu sinh làm việc trong phòng thí nghiệm của họ, bao gồm Villegas Rosales và Edwin Chung, tác giả đầu tiên khác của bài báo. Chung cũng lấy bằng Tiến sĩ. năm nay và hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ cùng hai nhóm. Villegas Rosales kể từ đó đã gia nhập Quantum Machines, một công ty khởi nghiệp về máy tính lượng tử , với tư cách là một kỹ sư.

Bài báo, “Hệ thống điện tử hai chiều chất lượng cực cao”, được xuất bản trên Nature Materials vào ngày 25 tháng 2 năm 2021, được hỗ trợ bởi các khoản tài trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia, Quỹ Gordon và Betty Moore và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Các tác giả khác bao gồm nghiên cứu sinh Pranav Madathil và các nhà nghiên cứu cấp cao Kirk W. Baldwin và KW West, tất cả đều thuộc Princeton.

Theo Scitechdaily