“超原子”材料擊敗硅成為有史以來速度最快的半導體

科學家發現“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，哥倫比亞大學的科學家發現了一種新的半導體材料，它的性能似乎優于其他材料。 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，原子結構都會發出微小的振動，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，對其進行管理是設計電子芯片和系統的一個持續的障礙。

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合，從而產生另一種形式的準粒子，稱為聲激子極化子。 它們仍然可以攜帶能量，但行進速度比常規激子慢得多——與直覺相反，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行了比較。 電子可以非常快速地穿過硅，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、更一致。

實際上，研究小組發現 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備最終可能比現有設備快六個數量級。

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。”

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——該團隊表示，這種特殊的混合物不太可能進入市場。 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出相同的行為。

“我們現在可以開始預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體材料，具有有利于聲極化子形成的特性。”