Суператомный полупроводник: новое слово в электронике

Полупроводники — материалы, которые могут проводить электричество при определённых условиях. Они широко используются в электронных устройствах, таких как компьютеры, телефоны и солнечные панели. Однако полупроводники имеют свои ограничения: при передаче энергии и информации они теряют часть её в виде тепла и сталкиваются с сопротивлением от колебаний атомной решётки — фононов. Это означает, что полупроводники имеют предел скорости и эффективности.


В поисках лучших опций учёные обратили своё внимание на так называемые суператомные материалы. Это кластеры атомов, которые ведут себя как один большой атом с определёнными свойствами. Один из таких материалов — Re6Se8Cl2 — был недавно изучен командой химиков из Колумбийского университета. Они обнаружили, что этот материал является самым быстрым и эффективным полупроводником, который когда-либо был создан.


— профессор химии Милан Делор.

Особенность Re6Se8Cl2 заключается в том, что он образует квазичастицы, называемые экситонами. Это пары электронов и дырок, которые возникают при поглощении света полупроводником. Экситоны способны переносить энергию и информацию на большие расстояния без потерь. Однако в обычных полупроводниках экситоны быстро разрушаются под действием фононов. В Re6Se8Cl2 же экситоны связываются с фононами и образуют новые квазичастицы — акустические экситон-полароны.

Акустические экситон-полароны защищены от рассеяния фононов и могут двигаться по материалу почти без сопротивления. Учёные смогли прямо наблюдать за их транспортом в Re6Se8Cl2 при комнатной температуре и обнаружили, что они распространяются волнообразно на протяжении нескольких микрон и наносекунд. Это превосходит все известные полупроводники, включая кремний, по скорости и дальности передачи энергии.

Учёные предполагают, что необычные свойства Re6Se8Cl2 объясняются комбинацией двух факторов: квазиплоских электронных зон и сильного взаимодействия экситонов с акустическими фононами. Это открывает новый путь к созданию полупроводников, которые могут работать при высоких температурах и скоростях, что может привести к революции в электронике.

Скорость и дальность акустических экситон-поларонов

Одним из самых удивительных открытий, сделанных учёными при изучении Re6Se8Cl2, было то, что акустические экситон-поляроны могут перемещаться по материалу с невероятной скоростью и дальностью. По сравнению с электронами в кремнии, которые являются основой современной электроники, акустические экситон-поляроны были в два раза быстрее и могли пройти несколько микрометров за доли наносекунды. Это означает, что они могут переносить больше энергии и информации на большие расстояния без потерь.

Кроме того, учёные оценили, что акустические экситон-поляроны могут сохраняться в Re6Se8Cl2 около 11 наносекунд, что достаточно для того, чтобы пройти более 25 микрометров за один раз. Это значительно больше, чем в других полупроводниках, где экситоны быстро разрушаются под действием фононов. Таким образом, Re6Se8Cl2 может быть использован для создания более компактных и мощных электронных устройств.

Ещё одним преимуществом акустических экситон-поларонов является то, что они управляются светом, а не электрическим током. Это позволяет использовать оптические методы для генерации, модуляции и детектирования этих квазичастиц. Учёные предполагают, что это может привести к созданию полупроводниковых устройств, которые могут работать на скоростях порядка фемтосекунд, что на шесть порядков быстрее, чем наносекунды, доступные в современной гигагерцовой электронике. Это может открыть новые возможности для сверхбыстрой обработки данных и связи.

Перспективы и проблемы суператомного полупроводника

Re6Se8Cl2 не является единственным суператомным материалом, который привлекает внимание учёных. В Колумбийском университете исследуются и другие новые квантовые материалы, которые могут иметь интересные свойства. Одно из них — возможность очистки от тонких атомов, то есть отделения одного или нескольких слоёв материала от основы. Это позволяет менять толщину и структуру материала, а также смешивать его с другими совместимыми материалами для создания новых комбинаций и эффектов.

Однако Re6Se8Cl2 сталкивается с серьёзной проблемой, которая может помешать его практическому применению. Это высокая стоимость одного из его составляющих элементов — рения. Рений — один из самых редких и дорогих элементов на Земле, который используется в некоторых сплавах для авиации и космонавтики. Поэтому Re6Se8Cl2 вряд ли будет доступен для массового производства и коммерческого использования.

Несмотря на это, учёные не теряют надежды найти другие суператомные материалы, которые могут быть более дешёвыми и эффективными. Для этого они используют новую теорию, разработанную группой Беркельбаха, которая помогает предсказывать свойства суператомных материалов. Также они применяют сложный метод визуализации, созданный Тюлягом и группой Делора, который позволяет наблюдать за формированием и движением акустических экситон-поларонов в реальном времени. С помощью этих инструментов они надеются обнаружить новые рекорды скорости и эффективности в суператомной электронике.