Profundizando en la naturaleza misma de los electrones con la muestra más pura del mundo de arseniuro de galio

Los investigadores de Princeton crearon la muestra más pura del mundo de arseniuro de galio, un semiconductor utilizado en sistemas especializados como los satélites. Esta foto muestra la muestra conectada dentro de una configuración experimental que observó electrones en un plano bidimensional. La pureza de la muestra reveló efectos extraños bajo un campo magnético relativamente débil, comportamiento que no tiene un marco teórico establecido. Crédito: Los investigadores

Los investigadores de Princeton han creado la muestra más pura del mundo de arseniuro de galio, un semiconductor utilizado en dispositivos que alimentan tecnologías como teléfonos móviles y satélites.

El equipo redujo su material a una impureza por cada 10 mil millones de átomos, alcanzando un nivel de calidad que supera incluso la muestra de silicio más pura del mundo utilizada para verificar el estándar de un kilogramo. El chip de arseniuro de galio terminado, un cuadrado del ancho de un borrador de lápiz, permitió al equipo profundizar en la naturaleza misma de los electrones.

En lugar de enviar este chip al espacio, los investigadores llevaron su muestra ultrapura al sótano del cuadrilátero de ingeniería de Princeton donde lo conectaron, lo congelaron a temperaturas más frías que el espacio, lo envolvieron en un poderoso campo magnético y aplicaron un voltaje, enviando electrones a través del plano bidimensional intercalado entre las capas cristalinas del material. A medida que bajaban el campo magnético, encontraron una sorprendente serie de efectos.

Los resultados, publicados en Materiales de la naturaleza, mostró que muchos de los fenómenos que impulsan la física más avanzada de hoy en día pueden observarse bajo campos magnéticos mucho más débiles de lo que se pensaba anteriormente. Los campos magnéticos más bajos podrían empoderar a más laboratorios para estudiar los misteriosos problemas físicos enterrados dentro de estos sistemas bidimensionales. Más emocionante, según los investigadores: estas condiciones menos severas presentan una física que no tiene un marco teórico establecido, allanando el camino para una mayor exploración de los fenómenos cuánticos.

Una sorpresa vino cuando los electrones se alinearon en una estructura de celosía conocida como cristal de Wigner. Los científicos pensaban anteriormente que los cristales de Wigner requerían campos magnéticos extremadamente intensos, alrededor de 14 Tesla. “Lo suficientemente fuerte como para levitar una rana”, dijo Kevin Villegas Rosales, uno de los dos primeros autores del estudio, quien recientemente completó su doctorado. en ingeniería eléctrica e informática. Pero este estudio mostró que los electrones pueden cristalizar en menos de un Tesla. “Solo necesitábamos la calidad ultra alta para verlos”, dijo.

El equipo también observó alrededor de un 80 por ciento más de “oscilaciones” en la resistencia eléctrica del sistema y una mayor “brecha de activación” de lo que se llama el efecto Hall cuántico fraccional, un tema clave en la física de la materia condensada y la computación cuántica. El efecto Hall cuántico fraccional fue descubierto originalmente por Daniel Tsui, profesor emérito de Ingeniería Eléctrica e Informática Arthur Legrand Doty de Princeton, quien recibió el Premio Nobel de Física por su descubrimiento.

Este estudio se realizó como parte de la colaboración continua entre los investigadores principales Mansour Shayegan, profesor de ingeniería eléctrica e informática, y Loren Pfeiffer, investigadora principal en ECE.

“Ha habido una relación maravillosa entre nuestros laboratorios”, dijo Shayegan. Hasta hace aproximadamente una década, él y Pfeiffer, que en ese momento trabajaba para Bell Labs, habían mantenido una competencia amistosa en busca de materiales cada vez más puros que les permitieran estudiar problemas de física cada vez más interesantes. Luego, Pfeiffer se unió a Princeton.

Ya no intentaban superarse mutuamente, como colegas en el mismo departamento eran libres de combinar fuerzas. Rápidamente desarrollaron un enfoque natural de dividir y vencer a las preguntas que previamente habían estado tratando de responder por su cuenta. En los más de 10 años transcurridos desde entonces, el grupo de Pfeiffer ha construido uno de los mejores instrumentos de deposición de materiales del mundo, mientras que el de Shayegan ha perfeccionado los métodos principales para estudiar la física que revelan esos materiales ultrapuros.

Referencia: “Sistemas de electrones bidimensionales de ultra alta calidad” por Yoon Jang Chung, KA Villegas Rosales, KW Baldwin, PT Madathil, KW West, M. Shayegan y LN Pfeiffer, 25 de febrero de 2021, Materiales de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41563-021-00942-3

Además de abordar su investigación de manera colaborativa, estos dos investigadores co-asesoran a muchos de los estudiantes graduados que trabajan en sus laboratorios, incluidos Villegas Rosales y Edwin Chung, el otro primer autor del artículo. Chung también obtuvo su Ph.D. este año y ahora es investigadora postdoctoral con los mismos dos grupos. Villegas Rosales se ha incorporado desde entonces a Quantum Machines, una computación cuántica empresa de nueva creación, como ingeniero.

El artículo, “Sistemas de electrones bidimensionales de ultra alta calidad”, publicado en Nature Materials el 25 de febrero de 2021, fue apoyado por subvenciones de la National Science Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation y el Departamento de Energía de EE. UU. Otros autores incluyen al estudiante de posgrado Pranav Madathil y los investigadores senior Kirk W. Baldwin y KW West, todos de Princeton.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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