哥倫比亞大學的研究人員開發了一種超原子半導體Re6Se8Cl2，這種半導體透過形成獨特的準粒子，在量子材料中形成彈道流，這項發現有助於克服半導體的缺陷，在速度和效率上都優於矽。這項發現為探索半導體技術中的新材料鋪平了道路。

半導體，尤其是矽，是各種電子設備（如電腦、手機和您正在使用的設備）運作的基礎。儘管用途廣泛，但半導體也有其內在的限制。這些材料的原子結構會發生振動，從而產生稱為聲子的量子粒子。這些聲子導致電子設備中負責傳輸能量和資訊的粒子（電子或稱為激子的電子-電洞對）發生散射。這種散射發生在極小的距離（奈米）和極短的時間跨度（飛秒）內，導致能量以熱量形式耗散，並對訊息傳輸速度造成限制。

人們正在尋找更好的選擇。哥倫比亞大學的化學家團隊在《科學》雜誌上撰文，他們的博士生傑克-圖裡亞格（Jack Tulyag）與化學教授米蘭-德洛爾（Milan Delor）合作，描述了迄今為止速度最快、效率最高的半導體：一種名為Re6Se8Cl2 的超原子材料。

Re6Se8Cl2 中的激子在與聲子接觸時不會發生散射，而是會與聲子結合，產生新的準粒子，稱為聲激子-極子。雖然極子存在於許多材料中，但Re6Se8Cl2 中的極子具有一種特殊的性質：它們能夠進行彈道流動或無散射流動。這種彈道行為可能意味著有一天會出現速度更快、更有效率的裝置。

在研究團隊進行的實驗中，Re6Se8Cl2 中的聲激子-極子移動速度很快，是矽中電子移動速度的兩倍，在不到奈秒的時間內就穿過了樣本的幾個微米。鑑於極子可以持續約11 奈秒，研究團隊認為激子-極子一次可以涵蓋超過25 微米的範圍。由於這些準粒子是由光而不是電流和門控控制的，因此理論設備的處理速度有可能達到飛秒級–比目前千兆赫電子設備的納秒級快六個數量級。所有這些都是在室溫下實現的。

德洛爾說：”就能量傳輸而言，Re6Se8Cl2 是我們所知的最好的半導體，至少到目前為止是這樣。”

龜兔賽跑的量子版本

Re6Se8Cl2 是一種超原子半導體，由合作者澤維爾-羅伊（Xavier Roy）在實驗室中創造。超原子是束縛在一起的原子團，它們的行為就像一個大原子，但性質卻與建構它們的元素不同。合成超原子是羅伊實驗室的專長，也是哥倫比亞大學由美國國家科學基金會資助的材料研究科學與工程中心（Material Research Science and Engineering Center on Precision Assembled Quantum Materials）的工作重點。德洛爾對透過超原子和哥倫比亞大學開發的其他獨特材料控制和操縱能量傳輸很感興趣。為此，團隊建立了超解析度成像工具，可以捕捉以超小、超快尺度運動的粒子。

當Tulyag 第一次把Re6Se8Cl2 帶進實驗室時，並不是為了尋找一種新的改良半導體–而是為了用一種原則上不應該傳導太多東西的材料來測試實驗室顯微鏡的分辨率。德洛爾說：「這與我們的預期正好相反。」我們看到的不是預期的緩慢運動，而是我們所見過的最快速度。”

矽之所以是一種理想的半導體，是因為電子可以在其中快速移動，但就像俗話說的兔子一樣，它們蹦躂得太厲害，最終實際上並不能跑得非常遠、非常快。相對而言，Re6Se8Cl2 中的激子速度非常慢，但正是因為它們速度如此之慢，才能夠與同樣緩慢移動的聲子相遇並配對。由此產生的準粒子很”重”，就像烏龜一樣，緩慢而穩定地前進。由於沿途沒有其他聲子的阻礙，Re6Se8Cl2 中的聲激子-極子最終比矽中的電子移動得更快。資料來源：哥倫比​​亞大學傑克-圖裡亞格（Jack Tulyag）

接下來的兩年，Tulyag 和他在德洛爾研究小組的同事一直在研究Re6Se8Cl2 為什麼會表現出如此明顯的行為，包括開發一種具有極高空間和時間分辨率的先進顯微鏡，可以直接成像極子在材料中形成和移動的過程。Timothy Berkelbach 研究小組的博士生、理論化學家Petra Shih 也建立了一個量子力學模型，為觀測結果提供了解釋。

德洛爾解釋說，新的準粒子速度很快，但與直覺相反的是，它們是透過調整自己的節奏來達到這種速度的–這有點像龜兔賽跑的故事。矽之所以是一種理想的半導體，是因為電子可以在矽中快速移動，但就像傳說中的兔子一樣，它們蹦跳得太快，最終實際上並沒有跑得很遠很遠。相對而言，Re6Se8Cl2 中的激子速度非常慢，但正是因為它們速度如此之慢，才能夠與同樣緩慢移動的聲子相遇並配對。由此產生的準粒子很”重”，就像烏龜一樣，緩慢而穩定地前進。由於沿途沒有其他聲子的阻礙，Re6Se8Cl2 中的聲激子-極子最終比矽中的電子移動得更快。

半導體探索仍在繼續

與哥倫比亞大學正在探索的許多新興量子材料一樣，Re6Se8Cl2 可以被剝離成原子薄片，這一特性意味著它們有可能與其他類似材料結合，以尋求更多獨特的特性。不過，Re6Se8Cl2 不太可能成為商業產品–分子中的第一個元素錸是地球上最稀有的元素之一，因此價格極為昂貴。

不過，有了伯克爾巴赫小組的新理論，再加上圖裡亞格和德洛爾小組首先開發的直接追蹤極子形成和運動的先進成像技術，研究小組計劃了解是否還有其他超原子競爭者能夠打破Re6Se8Cl2 的速度紀錄。

“這是唯一有人看到過持續室溫彈道激子輸運的材料。但是，我們現在可以開始預測還有哪些材料可能具有這種行為，而我們以前從未考慮過這些材料，」德洛爾說。”有一整套超原子和其他二維半導體材料具有有利於聲學極子形成的特性。”

參考文獻：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”范德華超原子半導體中室溫波浪激子輸運的”，2023 年10 月26 日，《科學》。

DOI: 10.1126/science.adf2698

編譯來源：ScitechDaily