“超原子”材料击败硅成为有史以来速度最快的半导体

科学家发现“超原子”材料是迄今为止速度最快、效率最高的半导体。 利用龟兔赛跑机制，新材料可以比硅更快地传输能量。

半导体是电子设备的心脏，而硅占据主导地位。 这些材料构成了晶体管和集成电路的基础，而晶体管和集成电路本身又为智能手机、超级计算机以及介于两者之间的一切奠定了基础。

现在，哥伦比亚大学的科学家发现了一种新的半导体材料，它的性能似乎优于其他材料。 这种材料被称为 Re6Se8Cl2，由铼、硒和氯的混合物组成，这些原子聚集在一起，表现得像一个大原子——“超原子”。 这就是它获得速度的地方。

在任何材料中，原子结构都会发出微小的振动，这些振动以称为声子的量子粒子的形式传播，声子可以散射电子或激子等携带能量的粒子。 这种能量很快就会以热量的形式消失，对其进行管理是设计电子芯片和系统的一个持续的障碍。

但 Re6Se8Cl2 有一个巧妙的小技巧。 它的激子在受到声子撞击时不会散射，而是实际上与声子结合，从而产生另一种形式的准粒子，称为声激子极化子。 它们仍然可以携带能量，但行进速度比常规激子慢得多——与直觉相反，这最终导致比硅更快的速度。

研究小组将其与乌龟和兔子的古老故事进行了比较。 电子可以非常快速地穿过硅，但它们往往会到处反弹，这不是最有效的传播路径。 另一方面，Re6Se8Cl2 中的极化子速度较慢，并且不受其他声子的影响，因此随着时间的推移，它们移动得更远、更一致。

实际上，研究小组发现 Re6Se8Cl2 中的极化子移动速度大约是硅中电子的两倍。 考虑到它们可以通过光而不是电来控制，研究小组估计，使用这种材料制造的理论上的电子设备最终可能比现有设备快六个数量级。

该研究的作者之一 Milan Delor 表示：“就能量传输而言，Re6Se8Cl2 是我们所知道的最好的半导体，至少到目前为止是这样。”

不幸的是，不要指望很快就会在你的计算机中使用这种材料的快速处理器——该团队表示，这种特殊的混合物不太可能进入市场。 对于消费品来说，铼太稀有且昂贵。 但在证明了这一概念后，研究人员相信类似的、希望更便宜的材料可能会表现出相同的行为。

“我们现在可以开始预测哪些其他材料可能具有我们以前从未考虑过的这种行为，”德洛尔说。 “有一整套超原子和其他二维半导体材料，具有有利于声极化子形成的特性。”