氮化镓因可在高电压、高温度和高频率条件下工作，已被广泛用于LED照明及高功率电子器件。康奈尔大学研究人员近日报告称，首次在该材料体系中观测到空穴的量子振荡，为进一步拓展氮化镓的器件应用提供了新的实验依据。

氮化镓的器件性能长期主要依赖材料中带负电的电子实现高速输运。研究人员指出，若能像在硅半导体中那样更有效地理解并调控带正电的“空穴”（可视为电子缺失形成的可移动空位），氮化镓的应用潜力有望进一步释放，但空穴相关性质一直较难直接研究。

在发表于《自然电子学》（Nature Electronics）的一项研究中，团队称首次在氮化镓与氮化铝界面形成的二维空穴气体中观测到空穴量子振荡。研究人员表示，量子振荡可作为探测电子结构的手段，用于揭示有效质量等关键材料参数。

论文第一作者、康奈尔大学达菲尔德工程学院Jena-Xing实验室博士生Chuan Chang表示，研究的重要基础在于获得“几乎完美晶格且缺陷极少”的高质量晶体；这种材料质量使空穴迁移率达到纪录水平，从而使量子振荡信号得以显现。

研究还依赖洛斯阿拉莫斯国家高磁场实验室脉冲场设施提供的高脉冲磁场，以及可在低至2开尔文环境下稳定工作的电接触技术。借助这些条件，团队得以直接测量氮化镓的价带结构，并获得轻空穴与重空穴等输运特征信息：轻空穴移动更快，重空穴移动相对更慢。

研究负责人之一、康奈尔大学教授Huili Grace Xing表示，尽管氮化镓研究已持续约半个世纪，但此前尚无人观测到氮化镓空穴的量子振荡。她指出，这一结果有助于理解多种输运现象以及质量与能带结构等参数，对器件设计具有参考价值。该实验室由Xing与Debdeep Jena共同领导，两人均任教于材料科学与工程系及电气与计算机工程学院。

研究团队称，此次观测建立在该实验室近期一系列工作基础之上，包括对氮化镓空穴行为的逐步刻画，如二维空穴气体与轻空穴的首次发现，以及空穴迁移速度的测量。Jena表示，在相对小规模的团队中同时推进基础物理研究与技术开发并不常见，而这也是团队工作的特点之一。

团队下一步计划利用新获得的有效质量与能带结构信息，继续探索提升氮化镓空穴迁移率的可能性，并据此开展器件设计。论文合著者、应用与工程物理博士生Joseph Dill表示，在掌握关键参数后，后续工作将围绕进一步提高空穴迁移率展开。研究人员同时指出，除晶体管设计改进外，该成果也为在宽禁带半导体中开展量子现象研究提供了新的实验路径。