超原子半导体创下弹道流速度记录

半导体(尤其是硅)是计算机、手机和其他为我们日常生活提供动力的电子设备的基础，包括您正在阅读本文的设备。

尽管半导体已经变得无处不在，但它们也有局限性。任何材料的原子结构都会振动，从而产生称为声子的量子粒子。

声子反过来导致粒子(电子或称为激子的电子-空穴对)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。这意味着能量以热的形式损失，并且信息传输有速度限制。

正在寻找更好的选择。由哥伦比亚大学化学家杰克·图利亚格(JackTulyag)博士领导的团队在《科学》杂志上撰文。与化学教授MilanDelor合作的学生描述了迄今为止最快、最高效的半导体：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，而是实际上与声子结合，产生称为声激子极化子的新准粒子。虽然极化子存在于许多材料中，但Re6Se8Cl2中的极化子具有特殊的性质：它们能够弹道流动或无散射流动。这种弹道行为有一天可能意味着更快、更高效的设备。

在该团队进行的实验中，Re6Se8Cl2中的声激子极化子移动速度很快，是硅中电子速度的两倍，并在不到一纳秒的时间内穿过几微米的样品。

鉴于极化子可以持续约11纳秒，该团队认为激子极化子一次可以覆盖超过25微米。而且由于这些准粒子是由光而不是电流和门控控制的，因此理论设备的处理速度有可能达到飞秒——比当前千兆赫电子器件可实现的纳秒快六个数量级——所有这些都是在室温下进行的。

“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，”Delor说。

乌龟和兔子的量子版本

Re6Se8Cl2是合作者XavierRoy实验室创建的超原子半导体。超原子是结合在一起的原子簇，其行为类似于一个大原子，但具有与用于构建它们的元素不同的属性。合成超级原子是罗伊实验室的专长，也是哥伦比亚大学精密组装量子材料材料研究科学与工程中心的主要研究方向。

德洛尔对通过超原子和哥伦比亚大学开发的其他独特材料来控制和操纵能量传输感兴趣。为此，该团队构建了超分辨率成像工具，可以捕获以超小、超快尺度移动的粒子。

当Tulyag首次将Re6Se8Cl2引入实验室时，并不是为了寻找一种新的改进半导体，而是为了测试实验室显微镜的分辨率，使用的材料原则上不应该进行很多东西。“这与我们的预期相反，”德洛尔说。“我们看到的不是我们预期的缓慢运动，而是我们所见过的最快的东西。”

Tulyag和Delor小组的同事在接下来的两年里致力于查明为什么Re6Se8Cl2表现出如此非凡的行为，包括开发一种具有极高空间和时间分辨率的先进显微镜，可以在极化子形成和移动时直接对其进行成像材料。理论化学家PetraShih，博士蒂莫西·伯克尔巴赫小组的学生还开发了一个量子力学模型，为观察结果提供了解释。

德洛尔解释说，新的准粒子速度很快，但与直觉相反，它们是通过调节自己的速度来实现这一速度的，有点像乌龟和兔子的故事。硅之所以成为理想的半导体，是因为电子可以非常快地穿过它，但就像众所周知的野兔一样，它们反弹太多，最终实际上并没有飞得很远、很快。

相对而言，Re6Se8Cl2中的激子非常慢，但正是因为它们太慢，所以它们能够与同样缓慢移动的声学声子相遇并配对。由此产生的准粒子是“重”的，并且像乌龟一样缓慢但稳定地前进。沿途不受其他声子阻碍，Re6Se8Cl2中的声激子极化子最终比硅中的电子移动得更快。

半导体搜索仍在继续

与哥伦比亚大学正在探索的许多新兴量子材料一样，Re6Se8Cl2可以剥离成原子薄的片材，这一特性意味着它们可以与其他类似材料结合，以寻求额外的独特性能。然而，Re6Se8Cl2不太可能进入商业产品——分子中的第一个元素铼是地球上最稀有的元素之一，因此极其昂贵。

但凭借Berkelbach小组的新理论，以及Tulyag和Delor小组开发的先进成像技术，可以直接跟踪极化子的形成和运动，该团队已经准备好看看是否还有其他超原子竞争者能够打破Re6Se8Cl2的速度记录。

“这是唯一一种能够实现室温弹道激子传输的材料。但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。”