半導體介于金屬導體和玻璃絕緣體之間，是我們當代電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)。半導體主要由硅組成，包括內(nèi)存模塊、微處理器和其他芯片，幾乎所有電子設備中都包含這些芯片。盡管如此，它們并非完美無缺，存在固有限制。

　　由于半導體內(nèi)部固有的量子速度限制，所有半導體都會發(fā)生熱量損失。當任何材料的原子結(jié)構(gòu)振動時，會產(chǎn)生聲子，即量子粒子。作為反應，聲子導致能量和數(shù)據(jù)載流子(稱為激子或電子-空穴對)在納秒或飛秒內(nèi)分散。數(shù)據(jù)傳輸速率有限，超過一定限度，熱量就會損失。

　　最近，紐約哥倫比亞大學的科學家發(fā)現(xiàn)了一種更高效的超原子半導體。根據(jù)實驗，這種半導體是世界上最快的，因為它能以電子在硅中移動速度的兩倍傳輸準粒子。

　　超原子半導體

　　迄今為止最高效、最快的半導體是一種名為Re6Se8Cl2的超原子材料，哥倫比亞大學化學家團隊在發(fā)表于《科學》雜志的文章中描述了這種材料。該團隊由博士生Jack Tulyag和化學教授Milan Delor領(lǐng)導。作為一種超原子材料，其錸(Re)、硒(Se)和氯(Cl)原子聚集在一起，并在某些方面表現(xiàn)出與原始元素相似的行為。

　　Delor對通過超原子和其他在哥倫比亞開發(fā)的新材料操縱和控制能量傳輸感興趣。該團隊通過開發(fā)能夠以極小和極快速度捕捉運動粒子的超高分辨率成像儀器來實現(xiàn)這一目標。

　　這種材料中的激子運動比硅中的電子慢。然而，重要的是要注意，激子沿著完全直線路徑移動，使它們能夠以更快的速度覆蓋更遠的距離。與傳統(tǒng)半導體不同，在Re6Se8Cl2超原子半導體中，聲子不會導致能量載流子分散，從而避免了信息傳輸?shù)臏p速。

　　這是因為，在Re6Se8Cl2中，能量粒子和聲子結(jié)合在一起。這些元素的結(jié)合產(chǎn)生了稱為聲學激子極子的獨特準粒子。這些粒子具有特殊性質(zhì)，因為它們可以在不分散的情況下移動，這可能導致開發(fā)出更快速、更高效的技術(shù)。

　　準粒子在Re6Se8Cl2中以硅電子速度的兩倍穿過巨大距離。該系統(tǒng)允許通過光而不是電流控制準粒子，理論上允許設備在飛秒尺度上循環(huán)，比當代千兆赫CPU實現(xiàn)的納秒快六個數(shù)量級。你甚至可以在室溫下完成所有這些操作。

　　“在能量傳輸方面，Re6Se8Cl2是我們發(fā)現(xiàn)的最好的半導體，”Delor說。

　　Re6Se8Cl2中的極子可以做到其他材料無法做到的事情：它們可以以彈道或無散射方式流動。有一天，使用這種彈道行為的設備可能更快、更高效。

　　該團隊的研究表明，Re6Se8Cl2中的聲學激子極子在不到一毫秒的時間內(nèi)穿越了材料中的多個微米，這是硅電子速度的兩倍。該小組認為，考慮到極子持續(xù)時間約為11納秒，激子極子可能同時穿越超過25微米。

　　由于這些準粒子由光而不是電流和門控控制，理論設備中的處理速率可能接近飛秒(比當代千兆赫電子設備實現(xiàn)的納秒快六個數(shù)量級)。

　　‘龜兔賽跑’

　　為了澄清這一現(xiàn)象，Delor使用了《伊索寓言》中龜兔賽跑的比喻(圖1)。快速移動的電子使硅如此吸引人。然而，它們向各個方向分散，就像匆忙的兔子一樣，沒有覆蓋太多領(lǐng)地。Re6Se8Cl2中的激子與這種情況形成鮮明對比。它們與以類似蝸牛速度移動的聲子融合，但仍然緩慢。這些產(chǎn)生的準粒子移動緩慢但穩(wěn)定。與硅電子相比，超原子最終允許更快的移動性。

　　電子在硅中移動的驚人速度使其成為有吸引力的半導體;然而，就像兔子一樣，由于它們過度跳躍，最終無法在短時間內(nèi)覆蓋很遠的距離。Re6Se8Cl2中相對較慢的激子可以與以相同相對緩慢速度移動的聲學聲子相遇并配對，因為它們的極慢速度。與烏龜類似，產(chǎn)生的準粒子“沉重”且以悠閑但穩(wěn)定的速度移動。由于不受其他聲子限制，Re6Se8Cl2中的聲學激子極子可以超過硅中的電子。

　　挑戰(zhàn)和未來應用

　　Re6Se8Cl2由錸、硒和氯原子組成。然而，錸是地球上最稀有的元素之一，這導致了其高成本。這種類型的超原子材料很可能永遠不會被納入普通電子設備。

　　然而，這一發(fā)現(xiàn)提供了許多機會。Delor建議存在一整套超原子和其他二維半導體材料，它們具有有利于聲學極子產(chǎn)生的特性。該團隊興奮地使用新理論和成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)更多超原子材料，這些材料可能在性能上超過Re6Se8Cl2，并可能利用更容易獲得的化學成分。

　　像哥倫比亞大學研究的新量子材料中的許多一樣，Re6Se8Cl2可以輕松分離成原子薄片。這種性質(zhì)為將它們與相關(guān)材料結(jié)合以發(fā)現(xiàn)甚至更有趣的組合進行實驗打開了大門。

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