新型合成超原子材料是“世界上最好的半導(dǎo)體”

它可能永遠(yuǎn)不會取代硅——但它可能帶來更多可能。

哥倫比亞大學(xué)的化學(xué)家團隊在《科學(xué)》雜志上撰文描述了一種超原子材料——Re6Se8Cl2——這是目前已知的最快、最高效的半導(dǎo)體。 其速度的關(guān)鍵是什么？ 信息和計算的執(zhí)行方式。 因此，當(dāng)研究人員說他們發(fā)現(xiàn)了“世界上最好的半導(dǎo)體材料”——一種可以取代硅成為我們虛擬世界的地圖集的材料時——我們必須引起注意。

硅（Si）是元素周期表中最有趣的元素之一。 幾乎所有有集成電路 (IC) 的地方都存在硅； 沒有它，我們就會失去世界上的一切虛擬內(nèi)容，以及我們用來理解和操作世界的大多數(shù)工具。 硅很重要。

相比之下，Re6Se8Cl2 是一種合成的超原子材料：你在野外的任何地方都找不到它。 超原子僅僅意味著 Re6Se8Cl2 中的原子元素表現(xiàn)得像一個大原子，但實際上表現(xiàn)出的屬性大于其基本部分的總和。 Re6Se8Cl2 是在該論文的合作者之一 Xavier Roy 的實驗室中制造的。

不過，硅和我們現(xiàn)在都可以高枕無憂，因為我們很快就不必將計算機內(nèi)部的芯片稱為由“Re6Se8Cl2”制成：錸，構(gòu)成這種新材料的分子的第一種元素 半導(dǎo)體材料在地球上極為罕見（使其大規(guī)模制造成本高昂）。 Re6Se8Cl2 更像是一個模糊未來電子學(xué)的測試平臺，也是行為、模式和物理學(xué)的羅塞塔石碑，可能有助于到達那里（在這種情況下，到達目的地意味著必須運行整個科學(xué)過程） 過程）。

Re6Se8Cl2 與其他科學(xué)突破并沒有什么不同，因為它是“我們所知道的在能量傳輸方面最好的半導(dǎo)體”的發(fā)現(xiàn)純屬偶然。 由于電子運動緩慢，它的目的是測試團隊的超分辨率成像工具； 然而，當(dāng)它展現(xiàn)出子彈般的速度時，研究重點（適當(dāng)?shù)兀┌l(fā)生了變化。

超原子能量傳輸（或烏龜如何打敗兔子）

電子和基本粒子有很多層，我們在解釋“什么是超導(dǎo)體？”時（非常簡單地）介紹了其中一些層。 但一個好的起點是知道電流是電子的（相對）有序運動——沒有這種有序流動，就無法通電。 同時，正是這些相同的電子，我們可以將信息狀態(tài)歸因于“開”和“關(guān)”。 

沒有電力，就沒有數(shù)字化的東西。 不同的材料傳導(dǎo)或超導(dǎo)電子的能力相對較好或較差：有些材料在從材料的一點移動到另一點時會浪費更多數(shù)量的電子（作為熱量），有些材料甚至可以將電子變成庫珀對，以這樣的方式協(xié)調(diào)它們的運動 這樣就不會浪費能量：超導(dǎo)現(xiàn)象的一個方面。

在硅中，稱為激子（電子或電子空穴對）的粒子負(fù)責(zé)攜帶電流和信息，并且它們做得足夠好：我們正在突破量子物理和超級計算機以及新的英特爾和 AMD CPU 畢竟，還有它的其他有用形式。 但新材料 Re6Se8Cl2 卻很奇特：它允許信息被攜帶在一種稱為聲激子極化子的新準(zhǔn)粒子的背面（顧名思義，準(zhǔn)粒子幾乎變成了粒子，而他們的名字是指它們更?。?比原子）。 這些激子極化子是由 Re6Se8Cl2 內(nèi)的激子（電子或電子空穴對）和聲子（通過任何材料（包括 Re6Se8Cl2）的原子結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的另一種基本粒子）之間的奇怪相互作用產(chǎn)生的。

這些準(zhǔn)粒子，這些激子極化子，還有另一個非常獨特的特性：彈道學(xué)。 在Re6Se8Cl2中，充滿信息的聲激子極化子向前推進而不是散射； 他們擊中了目標(biāo)，而不是在周圍的“每一個”亞原子碎片上跳舞和浪費能量。 

也許解釋這一點的一個好方法是想象電子通常表現(xiàn)得就像是被霰彈槍發(fā)射的：彈丸隨意散開，以不同的方式推動，有些甚至在彈丸處于靜止?fàn)顟B(tài)時設(shè)法相互碰撞。 它就像電子一樣，它們最終確實會到達那里……同時在途中留下一些雜散粒子，在這個過程中浪費能量。

激子極化子更像是單次激發(fā)，因為它們沿直線遵循其噴射路徑。 這是它們速度有多快的關(guān)鍵，也是我們可以理解的； 直接前往目的地往往是到達目的地的最快方式。 在此過程中，激子極化子穿過材料樣品的速度是電子通常穿過硅的速度的兩倍（在不到一納秒的時間內(nèi)穿過幾微米的樣品）。

有趣的是，激子極化子在傳輸能量方面比硅中的電子更好更快，部分原因在于它們實際上從根本上來說更慢。 但是，一個運動速度比另一個慢的粒子實際上比另一個粒子跑得快怎么可能呢？ 這一切都取決于 Re6Se8Cl2 激子與硅中的電子對應(yīng)物相比如何噴射。 由于 Re6Se8Cl2 中的激子噴射速度較慢，因此它們的速度實際上更接近聲子（通過任何材料的原子結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生的粒子）的速度，從而使它們能夠配對并解鎖最短的可用路徑 他們的目的地。 在足夠慢的激子速度下，聲子可以靈活地進入乘客座位，而不是撞擊汽車本身。 而且由于激子極化子本身的移動速度已經(jīng)比平常慢，因此它們還可以避免硅電子可以避免的更多常見障礙。 交通有時會因速度減慢而變得更快。

總結(jié)

目前預(yù)計激子極化子將進行進一步的工程設(shè)計，使其能夠持續(xù)長達 11 納秒。 據(jù)此，該團隊估計準(zhǔn)粒子一次可以跨越 25 微米的距離——顯然足以讓我們從中提取可用的計算結(jié)果。

研究人員表示，使用激子-極化子對的系統(tǒng)的理論處理速度（開關(guān)速度）可以達到比當(dāng)前千兆赫電子器件可實現(xiàn)的納秒高六個數(shù)量級的性能，突破飛秒尺度。 至少就 Re6Se8Cl2 而言，所有這些都可能在室溫下發(fā)生。

但我們必須再說一遍：除非我們坐在未被發(fā)現(xiàn)的錸礦脈上（或者我們在太空中的某個地方發(fā)現(xiàn)了這些儲量），否則 Re6Se8Cl2 并不是硅殺手。 但這是奠定我們半導(dǎo)體未來的重要組成部分。 這里學(xué)到的經(jīng)驗教訓(xùn)可以轉(zhuǎn)移到其他粒子（無論是否是超原子）上，以幫助硅保持我們的虛擬世界的運轉(zhuǎn)，還有待觀察。