Scavando più a fondo nella natura degli elettroni utilizzando il campione più puro al mondo di arseniuro di gallio

I ricercatori della Princeton University hanno creato il campione più puro al mondo di arseniuro di gallio, un semiconduttore utilizzato in dispositivi che alimentano tecnologie come telefoni cellulari e satelliti.

Il team ha ridotto le loro impurità a un’impurità ogni 10 miliardi di atomi, raggiungendo un livello di qualità che supera anche il campione di silicio più puro al mondo utilizzato per convalidare lo standard di un chilo. La fetta finale di arseniuro di gallio, un quadrato della larghezza di una gomma da matita, ha permesso al team di studiare in profondità la natura degli elettroni.

Invece di inviare questo chip nello spazio, i ricercatori hanno portato un campione ultra puro nel seminterrato del quadrilatero di ingegneria a Princeton, dove lo hanno collegato e congelato a temperature più basse dello spazio, lo hanno racchiuso in un forte campo magnetico, applicato una tensione , e inviava elettroni attraverso il piano bidimensionale confinato tra gli strati cristallini della sostanza. Quando hanno abbassato il campo magnetico, hanno trovato una serie sorprendente di effetti.

I risultati sono pubblicati in materiali naturali, ha mostrato che molti dei fenomeni che guidano la fisica più avanzata di oggi possono essere osservati sotto campi magnetici molto più deboli di quanto si pensasse in precedenza. Campi magnetici bassi potrebbero consentire a più laboratori di studiare i misteriosi problemi di fisica sepolti all’interno di tali sistemi bidimensionali. La cosa più eccitante, secondo i ricercatori: queste condizioni meno pericolose introducono una fisica che non ha un quadro teorico stabilito, aprendo la strada a un’ulteriore esplorazione dei fenomeni quantistici.

Una sorpresa è arrivata quando gli elettroni si sono allineati in una struttura reticolare nota come cristallo di Wigner. Gli scienziati in precedenza credevano che i cristalli di Wigner richiedessero campi magnetici molto intensi, circa 14 tesla. “Abbastanza forte da tenere in aria una rana”, ha detto Kevin Villegas Rosales, uno dei primi autori dello studio, che ha recentemente completato il suo dottorato di ricerca. in ingegneria elettrica e informatica. Ma questo studio ha dimostrato che gli elettroni possono cristallizzare a un minimo di un Tesla. “Avevamo solo bisogno della super qualità per vederlo”, ha detto.

Il team ha anche osservato circa l’80% delle “oscillazioni” nella resistenza elettrica del sistema e un “gap di attivazione” più ampio per il cosiddetto effetto Hall quantistico frazionario, un argomento chiave nella fisica della materia condensata e nel calcolo quantistico. L’effetto Hall quantistico frattale è stato originariamente scoperto da Daniel Tsui, professore di ingegneria elettrica e informatica all’Università di Princeton, e Arthur Legrand Dutt, vincitore del premio Nobel per la fisica per la sua scoperta.

Lo studio fa parte di una collaborazione in corso tra i principali ricercatori Mansour Shaigan, professore di ingegneria elettrica e informatica, e Lauren Pfeiffer, ricercatrice senior presso l’ECE.

“C’era una relazione meravigliosa tra i nostri laboratori”, ha detto Shaygan. Fino a una decina di anni fa, lui e Pfeiffer, che allora lavoravano ai Bell Labs, intrattenevano un’amichevole competizione alla ricerca di materiali più puri che consentissero loro di studiare problemi fisici più interessanti. Pfeiffer si è poi iscritto alla Princeton University.

Non cercavano più di migliorarsi a vicenda, perché in quanto colleghi dello stesso dipartimento erano liberi di unire le forze. Ben presto svilupparono un approccio naturale e divide et impera alle domande a cui in precedenza avevano cercato di rispondere da soli. Negli oltre 10 anni successivi, il gruppo di Pfeiffer ha costruito uno dei migliori strumenti di deposizione di materiali al mondo, mentre Shayegan ha perfezionato metodi innovativi per studiare la fisica rivelata da questi materiali ultra puri.

Riferimento: “Sistemi elettronici bidimensionali superiori” di Yoon Jang Chung, KA Villegas Rosales, KW Baldwin, PT Madathil, KW West, M. Shayegan, LN Pfeiffer, 25 febbraio 2021 Disponibile materiali naturali.
DOI: 10.1038 / s41563-021-00942-3

Oltre ad affrontare in modo collaborativo la loro ricerca, questi due ricercatori sono coinvolti nella consulenza a diversi studenti laureati che lavorano nei loro laboratori, tra cui Villegas Rosales e Edwin Chung, l’altro primo autore dell’articolo. Chung ha anche un dottorato di ricerca. Quest’anno è ora un ricercatore post-dottorato con gli stessi due gruppi. Da allora Villegas Rosales è entrato a far parte di Quantum Machines, a Statistiche quantitative Una startup come ingegnere.

Il documento di ricerca, “Ultra-quality 2D Electronic Systems”, pubblicato su Nature Materials il 25 febbraio 2021, è stato sostenuto da sovvenzioni della National Science Foundation, della Gordon and Betty Moore Foundation e del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Altri autori includono lo studente laureato Pranav Madathil e i ricercatori senior Kirk W. Baldwin e KW West, tutti della Princeton University.