Сверхчистый полупроводник откроет новые горизонты в исследовании электронов

В Принстонском университете группа инженеров смогла синтезировать образец арсенида галия (GaAs) прежде недостижимой степени чистоты.

Комбинируя очистку исходных материалов с усовершенствованной конструкцией вакуумной камеры для молекулярно-лучевой эпитаксии, исследователям удалось уменьшить частоту возникновения дефектов до одного на 10 миллиардов атомов. Таким образом полученный образец полупроводника превзошёл по качеству даже мирового рекордсмена по чистоте — эталон килограмма, изготовленный из кремния.

Фрагмент арсенида галлия размером не больше ластика на конце карандаша предоставил авторам уникальный шанс заглянуть глубже всех в природу поведения электронов в двумерных кристаллических слоях под действием внешнего магнитного поля. Подробно об этом рассказано в их публикации в журнале Nature Materials.

Результаты тестирования сверхчистого образца, включённого в криогенные электрические схемы, показали, что многие из явлений, составляющих сегодня передний край физики, можно наблюдать при гораздо более слабых магнитных полях, чем считалось ранее. По мнению самих исследователей, наиболее захватывающим является тот факт, что в этих менее суровых условиях начинает работать физика, пока не имеющая установленной теоретической базы, что открывает простор для дальнейшего исследования квантовых явлений.

Главная неожиданность случилась, когда электроны выстроились в структуру решётки, известную как кристалл Вигнера. Ученые ранее полагали, что кристаллам Вигнера необходимы чрезвычайно сильные магнитные поля, около 14 Тесла. Но это исследование показало, что электронам для кристаллизации достаточно интенсивности менее одного тесла.

Команда также наблюдала примерно на 80 процентов больше «колебаний» электрического сопротивления системы и увеличенную «активационную щель» так называемого дробного квантового эффекта Холла, горячей темы в физике конденсированного состояния и в квантовых вычислениях. Дробный квантовый эффект Холла первоначально открыл их коллега по Принстону, Дэниел Цуй (Daniel Tsui), почётный профессор электротехники и вычислительной техники, который совместно с Робертом Лафлином (Robert B. Laughlin) и Хорстом Стормером (Horst L. Störmer) был отмечен за это достижение Нобелевской премией по физике 1998 года.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365