Les chercheurs de Princeton ont créé l’échantillon d’arséniure de gallium le plus pur au monde, un semi-conducteur utilisé dans des systèmes spécialisés tels que les satellites. Cette photo montre l’échantillon câblé à l’intérieur d’une configuration expérimentale qui examinait les électrons dans un plan bidimensionnel. La pureté de l’échantillon a révélé des effets bizarres sous un champ magnétique relativement faible, un comportement qui n’a pas de cadre théorique établi. Crédit : Les chercheurs
Des chercheurs de Princeton ont créé l’échantillon d’arséniure de gallium le plus pur au monde, un semi-conducteur utilisé dans les appareils qui alimentent des technologies telles que les téléphones portables et les satellites.
L’équipe a réduit son matériau à une impureté pour 10 milliards d’atomes, atteignant un niveau de qualité qui dépasse même l’échantillon de silicium le plus pur au monde utilisé pour vérifier la norme d’un kilogramme. La puce d’arséniure de gallium finie, un carré de la largeur d’une gomme à crayon, a permis à l’équipe de sonder en profondeur la nature même des électrons.
Plutôt que d’envoyer cette puce dans l’espace, les chercheurs ont emmené leur échantillon ultra-pur au sous-sol du quadrilatère d’ingénierie de Princeton où ils l’ont câblé, l’ont congelé à des températures plus froides que l’espace, l’ont enveloppé dans un puissant champ magnétique et ont appliqué un tension, envoyant des électrons à travers le plan bidimensionnel pris en sandwich entre les couches cristallines du matériau. En abaissant le champ magnétique, ils ont découvert une série d’effets surprenants.
Les résultats, publiés dans Matériaux naturels, a montré que bon nombre des phénomènes à l’origine de la physique la plus avancée d’aujourd’hui peuvent être observés dans des champs magnétiques beaucoup plus faibles qu’on ne le pensait auparavant. Des champs magnétiques plus faibles pourraient permettre à davantage de laboratoires d’étudier les mystérieux problèmes de physique enfouis dans de tels systèmes bidimensionnels. Plus excitant, selon les chercheurs : ces conditions moins sévères présentent une physique qui n’a pas de cadre théorique établi, ouvrant la voie à une exploration plus approfondie des phénomènes quantiques.
Une surprise est venue lorsque les électrons se sont alignés dans une structure en réseau connue sous le nom de cristal de Wigner. Les scientifiques pensaient auparavant que les cristaux Wigner nécessitaient des champs magnétiques extrêmement intenses, environ 14 Tesla. “Assez fort pour faire léviter une grenouille”, a déclaré Kevin Villegas Rosales, l’un des deux premiers auteurs de l’étude, qui a récemment terminé son doctorat. en génie électrique et informatique. Mais cette étude a montré que les électrons peuvent cristalliser à moins d’un Tesla. « Nous avions juste besoin de la très haute qualité pour les voir », a-t-il déclaré.
L’équipe a également observé environ 80 % d’« oscillations » supplémentaires dans la résistance électrique du système et un « écart d’activation » plus important de ce qu’on appelle l’effet Hall quantique fractionnaire, un sujet clé en physique de la matière condensée et en calcul quantique. L’effet Hall quantique fractionnaire a été initialement découvert par Daniel Tsui, professeur émérite Arthur Legrand Doty de Princeton en génie électrique et informatique, qui a reçu le prix Nobel de physique pour sa découverte.
Cette étude a été réalisée dans le cadre d’une collaboration continue entre les chercheurs principaux Mansour Shayegan, professeur de génie électrique et informatique, et Loren Pfeiffer, chercheur principal à l’ECE.
“Il y a eu une relation merveilleuse entre nos laboratoires”, a déclaré Shayegan. Jusqu’à il y a une dizaine d’années, lui et Pfeiffer, qui travaillait à l’époque pour Bell Labs, entretenaient une compétition amicale à la recherche de matériaux toujours plus purs leur permettant d’étudier des problèmes de physique toujours plus intéressants. Puis Pfeiffer a rejoint Princeton.
N’essayant plus de se surpasser, en tant que collègues d’un même département, ils étaient libres d’unir leurs forces. Ils ont rapidement développé une approche naturelle de division pour régner aux questions auxquelles ils essayaient auparavant de répondre par eux-mêmes. Au cours des 10 années et plus qui ont suivi, le groupe de Pfeiffer a construit l’un des meilleurs instruments de dépôt de matériaux au monde, tandis que celui de Shayegan a affiné des méthodes de pointe pour étudier la physique révélée par ces matériaux ultra-purs.
Référence : « Ultra-high-quality two-dimensional electron systems » par Yoon Jang Chung, KA Villegas Rosales, KW Baldwin, PT Madathil, KW West, M. Shayegan et LN Pfeiffer, 25 février 2021, Matériaux naturels.
DOI : 10.1038/s41563-021-00942-3
En plus d’aborder leur recherche en collaboration, ces deux chercheurs co-conseillent de nombreux étudiants diplômés qui travaillent dans leurs laboratoires, y compris Villegas Rosales et Edwin Chung, l’autre premier auteur de l’article. Chung a également obtenu son doctorat. cette année et est maintenant chercheur postdoctoral dans les deux mêmes groupes. Villegas Rosales a depuis rejoint Quantum Machines, une l’informatique quantique start-up, en tant qu’ingénieur.
L’article, “Systèmes d’électrons bidimensionnels de très haute qualité”, publié dans Nature Materials le 25 février 2021, a été soutenu par des subventions de la National Science Foundation, de la Gordon and Betty Moore Foundation et du US Department of Energy. Les autres auteurs incluent l’étudiant diplômé Pranav Madathil et les chercheurs principaux Kirk W. Baldwin et KW West, tous de Princeton.
