“超原子”材料擊敗硅成為有史以來速度最快的半導(dǎo)體

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“超原子”材料是迄今為止速度最快、效率最高的半導(dǎo)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(dǎo)體是電子設(shè)備的心臟，而硅占據(jù)主導(dǎo)地位。 這些材料構(gòu)成了晶體管和集成電路的基礎(chǔ)，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(chǔ)。

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

在任何材料中，原子結(jié)構(gòu)都會發(fā)出微小的振動，這些振動以稱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。 這種能量很快就會以熱量的形式消失，對其進(jìn)行管理是設(shè)計電子芯片和系統(tǒng)的一個持續(xù)的障礙。

但 Re6Se8Cl2 有一個巧妙的小技巧。 它的激子在受到聲子撞擊時不會散射，而是實際上與聲子結(jié)合，從而產(chǎn)生另一種形式的準(zhǔn)粒子，稱為聲激子極化子。 它們?nèi)匀豢梢詳y帶能量，但行進(jìn)速度比常規(guī)激子慢得多——與直覺相反，這最終導(dǎo)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┻^硅，但它們往往會到處反彈，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，因此隨著時間的推移，它們移動得更遠(yuǎn)、更一致。

實際上，研究小組發(fā)現(xiàn) Re6Se8Cl2 中的極化子移動速度大約是硅中電子的兩倍。 考慮到它們可以通過光而不是電來控制，研究小組估計，使用這種材料制造的理論上的電子設(shè)備最終可能比現(xiàn)有設(shè)備快六個數(shù)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(dǎo)體，至少到目前為止是這樣?！?/p>

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

“我們現(xiàn)在可以開始預(yù)測哪些其他材料可能具有我們以前從未考慮過的這種行為，”德洛爾說。 “有一整套超原子和其他二維半導(dǎo)體材料，具有有利于聲極化子形成的特性。”