作為一款性能出眾的半導體材料，砷化鎵（GaAs）能夠為手機和衛星等技術產品提供重要的支撐。 然而在商業推廣之前，我們還得努力提純這種材料，以免雜質對最終產品的性能造成不利影響。 好消息是，來自普林斯頓大學的一支研究團隊，剛剛介紹了他們打造的迄今最純凈的砷化鎵樣品 —— 每百億才含有一個原子雜質。

上圖展示的是一片寬度與鉛筆橡皮擦相當的正方形砷化鎵樣品，研究團隊希望藉此深入探索電子的本質。

SCI Tech Daily 指出，如此誇張的純度等級，甚至超越了重新定義”1 公斤”標準的”世界上最純的矽單晶”。

至於該 GaAs 樣品的誕生，其實並非源於太空環境。 研究人員先是將超純樣品帶到了該校工程學院的地下室，將其冷凍到比太空還低的溫度，並用強大的磁場來包裹它。

接著加上電壓，通過夾在材料結晶層之間的二維平面來發送電子。 有趣的是，在降低磁場強度時，研究人員們觀察到了一系列奇妙的效應。

研究配圖 – 1：在先進 MBE 腔室中提升真空評估品質

發表在《自然材料》（Nature Materials）期刊上的結果表明，在較以往想像要弱得多的磁場下，可以觀察到許多推動當今最先進物理學發展的現象。

研究人員稱，較低磁場可讓更多實驗室研究隱藏於這種二維系統中的神秘物理問題。

更激動人心的是，不太嚴苛的條件，讓我們有機會窺探到一套尚未建立理論的物理學框架，為後續進一步探索量子現象而鋪平了道路。

研究配圖 – 2：GaAs 遷移率與 2D 電子密度

更確切地說，研究人員發現了電子排列形成「維格納晶體」（Wigner Crystal）這種晶格結構時的奇妙現象。

此前科學家們認為維格納晶體需要極強的磁場（大約 14 Tesla），足以讓青蛙都懸浮起來。

兩位研究作者之一、來自該校電器與計算機工程系、最近剛完成博士學位的 Kevin Villegas Rosales 指出：

“新研究表明電子可在不到 1 Tesla 磁場強度下結晶，只是我們要在超高品質下才能見到”。

研究配圖 – 3：GaAs 的低溫磁阻數據

研究團隊還觀察到，系統磁阻中大約 80% 的「震蕩」和更大的分數量子霍爾效應「啟動間隙」，這也是凝聚態物理和量子計算的一個重要研究領域。

Fractional Quantum Hall Effect 最初由普林斯頓大學的 Arthur Legrand Doty 與電氣和計算機工程名譽教授 Daniel Tsui 發現，並且因此而獲得了諾貝爾物理學獎。

而這項新研究的主要成員、電子與計算機工程教授 Mansour Shayegan，也與歐洲經委會高級研究學者 Loren Pfeiffer 達成了這些方面的長期合作。

研究配圖 – 4：樣品在更高朗道填充物低溫環境下的磁傳輸數據

Mansour Shayegan 表示，其與實驗室之間有著非常好的關係。 大約十年前，他與正在貝爾實驗室工作的 Loren Pfeiffer，一直在尋找更純凈材料這件事上保持著友好的競爭。

後來為了能夠研究更有趣的物理問題，Loren Pfeiffer 也加入了普林斯頓。 在成為同僚之後，他們很快就對之前試圖自己回答的問題，形成了一種自然的分而治之的方法。

在此後的 10 多年裡，Pfeiffer 團隊打造了世界上最好的材料沉積儀器之一，而 Shayegan 團隊也改進了研究並揭示超純材料的業內領先的物理學方法。