超原子半導體創下速度與效率紀錄

半導體已經變得無處不在，但它們也有局限性。半導體中會產生激子（電子－空穴對），這意味著能量以熱的形式損失，信息傳輸是有速度限制的。發表在26日《科學》雜志的論文中，美國哥倫比亞大學化學家團隊描述了迄今為止速度最快、效率最高的半導體：一種名為Re6Se8Cl2的超原子材料。

任何材料的原子結構都會振動，從而產生被稱為聲子的量子粒子。激子則是由電子和空穴之間的相互作用引起的。聲子和激子可以相互作用，聲子的反作用可導致激子在電子設備周圍攜帶能量和信息，以納米和飛秒的速度散射，這就帶來了能量損失。

Re6Se8Cl2中的激子在與聲子接觸時不是散射，而是與聲子結合，產生新的準粒子，稱為聲激子－極化子。雖然極化子存在于許多物質中，但Re6Se8Cl2中的極化子有一種特殊的性質：它們能夠進行彈道流動或無散射流動。這種彈道行為可能意味著研制出更快速、更高效的設備。

在該團隊進行的實驗中，Re6Se8Cl2中的聲激子－極化子的移動速度是硅中電子的兩倍，在不到一納秒的時間內穿過了幾個微米的樣品。考慮到極化子的傳輸壽命可以持續大約11納秒，該團隊認為聲激子－極化子一次傳輸距離可覆蓋超過25微米。由于這些準粒子是由光而非電流和門控控制的，因此理論設備的處理速度有可能達到飛秒，這比目前的千兆赫電子器件可實現的納秒快6個數量級，且都是在室溫下進行的。

研究人員表示，就能量傳輸而言，至少到目前為止，Re6Se8Cl2是已知的最好的半導體。Re6Se8Cl2可被剝離成原子薄片，這一特征意味著它們可能會與其他類似材料結合起來，出現更多獨特的性質。然而，Re6Se8Cl2不太可能實現商用，因為其分子中的第一種元素——錸是地球上最稀有的元素之一，因此極其昂貴。

接下來的時間里，研究人員將利用先進成像技術研究Re6Se8Cl2為何能表現出如此非凡的行為。