Ученые обнаружили «суператомный» материал, который является самым быстрым и эффективным полупроводником из ныне известных. Используя механизм «черепаха и заяц», новый материал может переносить энергию гораздо быстрее, чем кремний.
Ученые Колумбийского университета обнаружили новый полупроводниковый материал Re6Se8Cl2, состоящий из смеси рения, селена и хлора, атомы которых группируются вместе и ведут себя как один большой «суператом».
В любом материале атомная структура вызывает крошечные колебания, которые распространяются в виде квантовых частиц, называемых фононами. Они вызывают рассеяние частиц — электронов и экситонов, которые в свою очередь переносят энергию и информацию по электронным устройствам. Эта энергия быстро теряется в виде тепла, и управление ею является постоянной проблемой при разработке электронных микросхем и систем.
Но у нового материала есть маленькая хитрость в рукаве. Его экситоны не рассеиваются при столкновении с фононами, а связываются с ними, создавая другую форму квазичастиц, называемую акустическими экситон-поляронами. Они по-прежнему могут переносить энергию, но перемещаются гораздо медленнее, чем обычные экситоны, что, как ни странно, в конечном итоге приводит к более высоким скоростям, чем в кремнии.
Команда сравнивает это со старой историей о черепахе и зайце. Электроны могут очень быстро перемещаться по кремнию, но при этом они имеют тенденцию отскакивать в разные стороны. Поляроны в «суператоме», напротив, движутся медленнее и не подвержены влиянию других фононов, поэтому они перемещаются на большие расстояния и более стабильны во времени.
В результате было обнаружено, что поляроны в новом материале движутся примерно в два раза быстрее, чем электроны в кремнии. Учитывая, что ими можно управлять с помощью света, а не электричества, команда считает, что теоретические электронные устройства, созданные с использованием этого материала, могут оказаться на шесть порядков быстрее существующих.
К сожалению, в ближайшее время не стоит ожидать молниеносных процессоров с использованием этого материала. По словам авторов работы, вряд ли это конкретное изобретение когда-либо появится на рынке. Рений слишком редок и дорог для потребительских товаров. Но, доказав свою концепцию, исследователи считают, что аналогичные и более дешевые материалы могут проявлять такое же поведение.
