硅之所以成為理想的半導(dǎo)體，是因為電子可以非?？斓卮┻^它，但就像眾所周知的野兔一樣，它們最終實際上并沒有飛得很遠(yuǎn)、很快。相對而言， Re6Se8Cl2中的激子非常慢，但正是因為它們太慢，所以它們能夠與同樣緩慢移動的聲學(xué)聲子相遇并配對。由此產(chǎn)生的準(zhǔn)粒子是“重”的，并且像烏龜一樣緩慢但穩(wěn)定地前進(jìn)。沿途不受其他聲子阻礙，Re6Se8Cl2中的聲激子極化子最終比硅中的電子移動得更快。圖片來源：杰克·圖利亞格/?哥倫比亞大學(xué)

半導(dǎo)體已經(jīng)變得無處不在，但它們也有局限性。半導(dǎo)體中會產(chǎn)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(fā)表在26日《科學(xué)》雜志的論文中，美國哥倫比亞大學(xué)化學(xué)家團(tuán)隊描述了迄今為止速度最快、效率最高的半導(dǎo)體：一種名為Re6Se8Cl2的超原子材料。

任何材料的原子結(jié)構(gòu)都會振動，從而產(chǎn)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(dǎo)致激子在電子設(shè)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(jié)合，產(chǎn)生新的準(zhǔn)粒子，稱為聲激子－極化子。雖然極化子存在于許多物質(zhì)中，但Re6Se8Cl2中的極化子有一種特殊的性質(zhì)：它們能夠進(jìn)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(shè)備。

在該團(tuán)隊進(jìn)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(nèi)穿過了幾個微米的樣品?？紤]到極化子的傳輸壽命可以持續(xù)大約11納秒，該團(tuán)隊認(rèn)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(zhǔn)粒子是由光而非電流和門控控制的，因此理論設(shè)備的處理速度有可能達(dá)到飛秒，這比目前的千兆赫電子器件可實現(xiàn)的納秒快6個數(shù)量級，且都是在室溫下進(jìn)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(dǎo)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(jié)合起來，出現(xiàn)更多獨(dú)特的性質(zhì)。然而，Re6Se8Cl2不太可能實現(xiàn)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(jìn)成像技術(shù)研究Re6Se8Cl2為何能表現(xiàn)出如此非凡的行為。