哥伦比亚大学的研究人员开发出了一种超原子半导体 Re6Se8Cl2，这种半导体通过形成独特的准粒子，在量子材料中形成弹道流，这一发现有助于克服半导体的缺陷，在速度和效率上都优于硅。这一发现为探索半导体技术中的新材料铺平了道路。

半导体，尤其是硅，是各种电子设备（如电脑、手机和您正在使用的设备）运行的基础。尽管用途广泛，但半导体也有其内在的限制。这些材料的原子结构会发生振动，从而产生称为声子的量子粒子。这些声子导致电子设备中负责传输能量和信息的粒子（电子或称为激子的电子-空穴对）发生散射。这种散射发生在极小的距离（纳米）和极短的时间跨度（飞秒）内，导致能量以热量形式耗散，并对信息传输速度造成限制。

人们正在寻找更好的选择。哥伦比亚大学的化学家团队在《科学》杂志上撰文，他们的博士生杰克-图里亚格（Jack Tulyag）与化学教授米兰-德洛尔（Milan Delor）合作，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。

Re6Se8Cl2 中的激子在与声子接触时不会发生散射，而是会与声子结合，产生新的准粒子，称为声激子-极子。虽然极子存在于许多材料中，但 Re6Se8Cl2 中的极子具有一种特殊的性质：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http://www.196nk.cn着有一天会出现速度更快、效率更高的设备。

在研究小组进行的实验中，Re6Se8Cl2 中的声激子-极子移动速度很快，是硅中电子移动速度的两倍，在不到纳秒的时间内就穿过了样品的几个微米。鉴于极子可以持续约 11 纳秒，研究小组认为激子-极子一次可以覆盖超过 25 微米的范围。由www.196nk.cn于这些准粒子是由光而不是电流和门控控制的，因此www.196nk.cn理论设备的处理速度有可能达到飞秒级--比目前千兆赫电子设备的纳秒级快六个数量级。所有这些都是在室温下实现的。

德洛尔说："就能量传输而言，Re6Se8Cl2 是我们所知的最好的半导体，至少到目前为止是这样。"

龟兔赛跑的量子版本

Re6Se8Cl2 是一种超原子半导体，由合作者泽维尔-罗伊（Xavier Roy）在实验室中创造。超原子是束缚在一起的原子团，它们的行为就像一个大原子，但性质却与构建它们的元素不同。合成超原子是罗伊实验室的专长，也是哥伦比亚大学由国家科学基金会资助的材料研究科学与工程中心（Material Research Science and Engineering Center on Precision Assembled Quantum Materials）的工作重点。德洛尔对通过超原子和哥伦比亚大学开发的其www.196nk.cn他独特材料控制和操纵能量传输很感兴趣。为此，该团队建立了超分辨率成像工具，可以捕捉以超小、超快尺度运动的粒子。

当 T196世界之最ulyag 第一次把 Re6Se8Cl2 带进实验室时，并不是为了寻找一种新的改良半导体--而是为了用一种原则上不应该传导太多东西的材料来测试实验室显微镜的分辨率。德洛尔说："这与我们的预期正好相反。"我们看到的不是预期的缓慢运动，而是我们所见过的最快速度。"

硅之所以是一种理想的半导体，是因为电子可以在其中快速移动，但就像俗话说的兔子一样，它们蹦跶得太厉害，最终实际上并不能跑得非常远、非常快。相对而言，Re6Se8Cl2 中的激子速度非常慢，但正是因为它们速度如此之慢，才能够与同样缓慢移动的声子相遇并配对。由此产生的准粒子很"重"，就像乌龟一样，缓慢而稳定地前进。由于沿途没有其他声子的阻碍，Re6Se8Cl2 中的声激子-极子最终比硅中的电子移动得更快。资料来源：哥伦比亚大学杰克-图里亚格（Jack Tulyag）

接下来的两年，Tulyag 和他在德洛尔研究小组的同事们一直在研究 Re6Se8Cl2 为什么会表现出如此明显的行为，包括开发一种具有极高空间和时间分辨率的先进显微镜，可以直接成像极子在材料中形成和移动的过程。Timothy Berkelbach 研究小组的博士生、理论化学家 Petra Shih 也建立了一个量子力学模型，为观测结果提供了解释。

德洛尔解释说，新的准粒子速度很快，但与直觉相反的是，它们是通过调整自己的节奏来达到这种速度的--这有点像龟兔赛跑的故事。硅之所以是一种理想的半导体，是因为电子可以在硅中快速移动，但就像传说中的兔子一样，它们蹦跳得太快，最终实际上并没有跑得很远很远。相对而言，Re6Se8Cl2 中的激子速度非常慢，但正是因为它们速度如此之慢，才能够与同样缓慢移动的声子相遇并配对。由此产生的准粒子很"重"，就像乌龟一样，缓慢而稳定地前进。由于沿途没有其他声子的阻碍，Re6Se8Cl2 中的声激子-极子最终比硅中的电子移动得更快。

半导体探索仍在继续

与哥伦比亚大学正在探索的许多新兴量子材料一样，Re6Se8Cl2 可以被剥离成原子薄片，这一特性意味着它们有可能与其他类似材料结合，以寻求更多独特的特性。不过，Re6Se8Cl2 不太可能成为商业产品--分子中的第一种元素铼是地球上最稀有的元素之一，因此价格极其昂贵。

不过，有了伯克尔巴赫小组的新理论，再加上图里亚格和德洛尔小组首先开发的直接跟踪极子形成和运动的先进成像技术，研究小组计划了解是否还有其他超原子竞争者能够打破 Re6Se8Cl2 的速度纪录。

"这是唯一有人看到过持续室温弹道激子输运的材料。但是，我们现在可以开始预测还有哪些材料可能具有这种行为，而我们以前从未考虑过这些材料，"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学极子形成的特性。"

参考文献：Jakhangirkhodja A. Tulyagankhodjaev、Petra Shih、Jessica Yu、Jake C. Russell、Daniel G. Chica、Michelle E. Reynoso、Haowen Su、Athena C. Stenor、Xavier Roy、Timothy C. Berkelbach 和 Milan Delor 的 "范德华超原子半导体中的室温波状激子输运"，2023 年 10 月 26 日，《科学》。

DOI: 10.1126/science.adf2698

编译来源：ScitechDaily