“超原子”材料擊敗硅成為有史以來(lái)速度最快的半導體

科學(xué)家發(fā)現“超原子”材料是迄今為止速度最快、效率最高的半導體。 利用龜兔賽跑機制，新材料可以比硅更快地傳輸能量。

半導體是電子設備的心臟，而硅占據主導地位。 這些材料構成了晶體管和集成電路的基礎，而晶體管和集成電路本身又為智能手機、超級計算機以及介于兩者之間的一切奠定了基礎。

現在，哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現了一種新的半導體材料，它的性能似乎優(yōu)于其他材料。 這種材料被稱(chēng)為 Re6Se8Cl2，由錸、硒和氯的混合物組成，這些原子聚集在一起，表現得像一個(gè)大原子——“超原子”。 這就是它獲得速度的地方。

在任何材料中，原子結構都會(huì )發(fā)出微小的振動(dòng)，這些振動(dòng)以稱(chēng)為聲子的量子粒子的形式傳播，聲子可以散射電子或激子等攜帶能量的粒子。 這種能量很快就會(huì )以熱量的形式消失，對其進(jìn)行管理是設計電子芯片和系統的一個(gè)持續的障礙。

但 Re6Se8Cl2 有一個(gè)巧妙的小技巧。 它的激子在受到聲子撞擊時(shí)不會(huì )散射，而是實(shí)際上與聲子結合，從而產(chǎn)生另一種形式的準粒子，稱(chēng)為聲激子極化子。 它們仍然可以攜帶能量，但行進(jìn)速度比常規激子慢得多——與直覺(jué)相反，這最終導致比硅更快的速度。

研究小組將其與烏龜和兔子的古老故事進(jìn)行了比較。 電子可以非?？焖俚卮┻^(guò)硅，但它們往往會(huì )到處反彈，這不是最有效的傳播路徑。 另一方面，Re6Se8Cl2 中的極化子速度較慢，并且不受其他聲子的影響，因此隨著(zhù)時(shí)間的推移，它們移動(dòng)得更遠、更一致。

實(shí)際上，研究小組發(fā)現 Re6Se8Cl2 中的極化子移動(dòng)速度大約是硅中電子的兩倍。 考慮到它們可以通過(guò)光而不是電來(lái)控制，研究小組估計，使用這種材料制造的理論上的電子設備最終可能比現有設備快六個(gè)數量級。

該研究的作者之一 Milan Delor 表示：“就能量傳輸而言，Re6Se8Cl2 是我們所知道的最好的半導體，至少到目前為止是這樣?！?/p>

不幸的是，不要指望很快就會(huì )在你的計算機中使用這種材料的快速處理器——該團隊表示，這種特殊的混合物不太可能進(jìn)入市場(chǎng)。 對于消費品來(lái)說(shuō)，錸太稀有且昂貴。 但在證明了這一概念后，研究人員相信類(lèi)似的、希望更便宜的材料可能會(huì )表現出相同的行為。

“我們現在可以開(kāi)始預測哪些其他材料可能具有我們以前從未考慮過(guò)的這種行為，”德洛爾說(shuō)。 “有一整套超原子和其他二維半導體材料，具有有利于聲極化子形成的特性?！?/p>