超原子半导体创下速度与效率纪录

半导体已经变得无处不在，但它们也有局限性。半导体中会产生激子（电子－空穴对），这意味着能量以热的形式损失，信息传输是有速度限制的。发表在26日《科学》杂志的论文中，美国哥伦比亚大学化学家团队描述了迄今为止速度最快、效率最高的半导体：一种名为Re₆Se₈Cl₂的超原子材料。

任何材料的原子结构都会振动，从而产生被称为声子的量子粒子。激子则是由电子和空穴之间的相互作用引起的。声子和激子可以相互作用，声子的反作用可导致激子在电子设备周围携带能量和信息，以纳米和飞秒的速度散射，这就带来了能量损失。

Re₆Se₈Cl₂中的激子在与声子接触时不是散射，而是与声子结合，产生新的准粒子，称为声激子－极化子。虽然极化子存在于许多物质中，但Re₆Se₈Cl₂中的极化子有一种特殊的性质：它们能够进行弹道流动或无散射流动。这种弹道行为可能意味着研制出更快速、更高效的设备。

在该团队进行的实验中，Re₆Se₈Cl₂中的声激子－极化子的移动速度是硅中电子的两倍，在不到一纳秒的时间内穿过了几个微米的样品。考虑到极化子的传输寿命可以持续大约11纳秒，该团队认为声激子－极化子一次传输距离可覆盖超过25微米。由于这些准粒子是由光而非电流和门控控制的，因此理论设备的处理速度有可能达到飞秒，这比目前的千兆赫电子器件可实现的纳秒快6个数量级，且都是在室温下进行的。

研究人员表示，就能量传输而言，至少到目前为止，Re₆Se₈Cl₂是已知的最好的半导体。Re₆Se₈Cl₂可被剥离成原子薄片，这一特征意味着它们可能会与其他类似材料结合起来，出现更多独特的性质。然而，Re₆Se₈Cl₂不太可能实现商用，因为其分子中的第一种元素——铼是地球上最稀有的元素之一，因此极其昂贵。

接下来的时间里，研究人员将利用先进成像技术研究Re₆Se₈Cl₂为何能表现出如此非凡的行为。