Учёные Колумбийского университета обнаружили новый полупроводник Re6Se8Cl2, превосходящий кремний. Новый материал обладает уникальными свойствами: частицы в нём могут двигаться без рассеивания. Это открывает путь для создания более быстрых электронных устройств. Тем не менее, высокая стоимость некоторых компонентов препятствует его применению в промышленности.
Кремний, как и другие полупроводники, служит основой для компьютеров, смартфонов и прочих электронных приборов. Вместе с тем у них есть недостатки. Одним из главных недостатков является потеря энергии в виде тепла, вызванная рассеиванием электронных частиц.
Атомная структура любого материала вибрирует, создавая квантовые частицы, называемые фононами. Фононы вызывают рассеяние частиц — электронов или электронно-дырочных пар, называемых экситонами, которые переносят энергию и информацию по электронным устройствам. нанометры и фемтосекундыЭто значит, что информация может передаваться с ограниченной скоростью.
Химики из Колумбийского университета под руководством Джека Туляга и профессора Милана Делора обнаружили потенциально революционный полупроводник — Re6Se8Cl2. Материал может изменить стандарты скорости и эффективности в этой области. Исследование опубликовано в журнале. .
Удивительные свойства
Кремний и подобные ему полупроводники служат для передачи информации в электронных устройствах. Но Re6Se8Cl2 ведет себя иначе. Вместо рассеивания при взаимодействии с фононами экситоны в этом материале соединяются с ними, создавая новые квазичастицы — акустические экситон-поляроны. Поляроны встречаются во многих материалах, но те, что присутствуют в Re6Se8Cl2, обладают особенностью: в микроскопическом масштабе они могут двигаться без препятствий, что приводит к отсутствию дисперсии.
Это свойство очень важно, поскольку позволяет передавать информацию плавно и быстро. Испытания показали, что экситон-поляроны в два раза быстрее электронов в кремнии, проходя микрометрические расстояния за крайне короткое время. Поскольку поляроны могут существовать около 11 наносекунд, команда полагает, что полярон-экситоны преодолевают более 25 микрометров за одно перемещение.
Поскольку эти квазичастицы управляются светом, а не электрическим током и триггером, скорость обработки данных в теоретических устройствах может достигать фемтосекунд, что на шесть порядков медленнее, чем наносекунда, которую обеспечивают современные гигагерцовые устройства. Это при комнатной температуре.
Милан Делор из Колумбийского университета, соавтор исследования, заявляет в пресс-релизе: «По крайней мере, на сегодняшний день, Re6Se8Cl2 является лучшим из известных нам полупроводников с точки зрения переноса энергии».
Ре6Se8Cl2 — результат сотрудничества с Ксавье Роем, чья лаборатория занимается созданием суператомов. Такие структуры объединяют несколько атомов в единое целое, которое ведет себя как отдельный атом, но обладает усиленными или измененными свойствами. Первоначальной задачей введения Re6Se8Cl2 в лабораторию было оценить способность микроскопов визуализировать этот материал. Но во время испытаний команда заметила неожиданное явление: материал демонстрировал беспрецедентную скорость перемещения частиц.
Кремний популярен как полупроводник благодаря быстрому прохождению электронов, но множество препятствий замедляет их. В Re6Se8Cl2 действует иначе: экситоны движутся медленно, но эта медленность способствует эффективной связи с акустическими фононами. Образующиеся квазичастицы, хоть и «тяжелые», неуклонно передвигаются, как черепаха. Это непрерывное движение в конечном итоге позволяет акустическим фононам-эксцитонам в Re6Se8Cl2 опередить скорость электронов в кремнии.
Несмотря на перспективность Re6Se8Cl2, перед разработкой микросхем на его основе стоят трудности. Авторы полагают, что такие микросхемы появятся не раньше чем через несколько лет. Производство кремниевых чипов требует десятилетий усилий, а новый материал предполагает начало работы с нуля. Рений, один из элементов Re6Se8Cl2, является одним из самых редких и дорогих на Земле. Поэтому микросхемы на основе Re6Se8Cl2 могут быть разработаны для специальных целей, например, для аэрокосмической отрасли или квантовых вычислений.