新型合成超原子材料是“世界上最好的半導(dǎo)體”

它可能永遠(yuǎn)不會(huì)取代硅——但它可能帶來更多可能。

哥倫比亞大學(xué)的化學(xué)家團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上撰文描述了一種超原子材料——Re6Se8Cl2——這是目前已知的最快、最高效的半導(dǎo)體。 其速度的關(guān)鍵是什么？ 信息和計(jì)算的執(zhí)行方式。 因此，當(dāng)研究人員說他們發(fā)現(xiàn)了“世界上最好的半導(dǎo)體材料”——一種可以取代硅成為我們虛擬世界的地圖集的材料時(shí)——我們必須引起注意。

硅（Si）是元素周期表中最有趣的元素之一。 幾乎所有有集成電路 (IC) 的地方都存在硅； 沒有它，我們就會(huì)失去世界上的一切虛擬內(nèi)容，以及我們用來理解和操作世界的大多數(shù)工具。 硅很重要。

相比之下，Re6Se8Cl2 是一種合成的超原子材料：你在野外的任何地方都找不到它。 超原子僅僅意味著 Re6Se8Cl2 中的原子元素表現(xiàn)得像一個(gè)大原子，但實(shí)際上表現(xiàn)出的屬性大于其基本部分的總和。 Re6Se8Cl2 是在該論文的合作者之一 Xavier Roy 的實(shí)驗(yàn)室中制造的。

不過，硅和我們現(xiàn)在都可以高枕無憂，因?yàn)槲覀兒芸炀筒槐貙⒂?jì)算機(jī)內(nèi)部的芯片稱為由“Re6Se8Cl2”制成：錸，構(gòu)成這種新材料的分子的第一種元素 半導(dǎo)體材料在地球上極為罕見（使其大規(guī)模制造成本高昂）。 Re6Se8Cl2 更像是一個(gè)模糊未來電子學(xué)的測(cè)試平臺(tái)，也是行為、模式和物理學(xué)的羅塞塔石碑，可能有助于到達(dá)那里（在這種情況下，到達(dá)目的地意味著必須運(yùn)行整個(gè)科學(xué)過程） 過程）。

Re6Se8Cl2 與其他科學(xué)突破并沒有什么不同，因?yàn)樗恰拔覀兯赖脑谀芰總鬏敺矫孀詈玫陌雽?dǎo)體”的發(fā)現(xiàn)純屬偶然。 由于電子運(yùn)動(dòng)緩慢，它的目的是測(cè)試團(tuán)隊(duì)的超分辨率成像工具； 然而，當(dāng)它展現(xiàn)出子彈般的速度時(shí)，研究重點(diǎn)（適當(dāng)?shù)兀┌l(fā)生了變化。

超原子能量傳輸（或?yàn)觚斎绾未驍⊥米樱?/strong>

電子和基本粒子有很多層，我們?cè)诮忉尅笆裁词浅瑢?dǎo)體？”時(shí)（非常簡單地）介紹了其中一些層。 但一個(gè)好的起點(diǎn)是知道電流是電子的（相對(duì)）有序運(yùn)動(dòng)——沒有這種有序流動(dòng)，就無法通電。 同時(shí)，正是這些相同的電子，我們可以將信息狀態(tài)歸因于“開”和“關(guān)”。 

沒有電力，就沒有數(shù)字化的東西。 不同的材料傳導(dǎo)或超導(dǎo)電子的能力相對(duì)較好或較差：有些材料在從材料的一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)時(shí)會(huì)浪費(fèi)更多數(shù)量的電子（作為熱量），有些材料甚至可以將電子變成庫珀對(duì)，以這樣的方式協(xié)調(diào)它們的運(yùn)動(dòng) 這樣就不會(huì)浪費(fèi)能量：超導(dǎo)現(xiàn)象的一個(gè)方面。

在硅中，稱為激子（電子或電子空穴對(duì)）的粒子負(fù)責(zé)攜帶電流和信息，并且它們做得足夠好：我們正在突破量子物理和超級(jí)計(jì)算機(jī)以及新的英特爾和 AMD CPU 畢竟，還有它的其他有用形式。 但新材料 Re6Se8Cl2 卻很奇特：它允許信息被攜帶在一種稱為聲激子極化子的新準(zhǔn)粒子的背面（顧名思義，準(zhǔn)粒子幾乎變成了粒子，而他們的名字是指它們更?。?比原子）。 這些激子極化子是由 Re6Se8Cl2 內(nèi)的激子（電子或電子空穴對(duì)）和聲子（通過任何材料（包括 Re6Se8Cl2）的原子結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的另一種基本粒子）之間的奇怪相互作用產(chǎn)生的。

這些準(zhǔn)粒子，這些激子極化子，還有另一個(gè)非常獨(dú)特的特性：彈道學(xué)。 在Re6Se8Cl2中，充滿信息的聲激子極化子向前推進(jìn)而不是散射； 他們擊中了目標(biāo)，而不是在周圍的“每一個(gè)”亞原子碎片上跳舞和浪費(fèi)能量。 

也許解釋這一點(diǎn)的一個(gè)好方法是想象電子通常表現(xiàn)得就像是被霰彈槍發(fā)射的：彈丸隨意散開，以不同的方式推動(dòng)，有些甚至在彈丸處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)設(shè)法相互碰撞。 它就像電子一樣，它們最終確實(shí)會(huì)到達(dá)那里……同時(shí)在途中留下一些雜散粒子，在這個(gè)過程中浪費(fèi)能量。

激子極化子更像是單次激發(fā)，因?yàn)樗鼈冄刂本€遵循其噴射路徑。 這是它們速度有多快的關(guān)鍵，也是我們可以理解的； 直接前往目的地往往是到達(dá)目的地的最快方式。 在此過程中，激子極化子穿過材料樣品的速度是電子通常穿過硅的速度的兩倍（在不到一納秒的時(shí)間內(nèi)穿過幾微米的樣品）。

有趣的是，激子極化子在傳輸能量方面比硅中的電子更好更快，部分原因在于它們實(shí)際上從根本上來說更慢。 但是，一個(gè)運(yùn)動(dòng)速度比另一個(gè)慢的粒子實(shí)際上比另一個(gè)粒子跑得快怎么可能呢？ 這一切都取決于 Re6Se8Cl2 激子與硅中的電子對(duì)應(yīng)物相比如何噴射。 由于 Re6Se8Cl2 中的激子噴射速度較慢，因此它們的速度實(shí)際上更接近聲子（通過任何材料的原子結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的粒子）的速度，從而使它們能夠配對(duì)并解鎖最短的可用路徑 他們的目的地。 在足夠慢的激子速度下，聲子可以靈活地進(jìn)入乘客座位，而不是撞擊汽車本身。 而且由于激子極化子本身的移動(dòng)速度已經(jīng)比平常慢，因此它們還可以避免硅電子可以避免的更多常見障礙。 交通有時(shí)會(huì)因速度減慢而變得更快。

總結(jié)

目前預(yù)計(jì)激子極化子將進(jìn)行進(jìn)一步的工程設(shè)計(jì)，使其能夠持續(xù)長達(dá) 11 納秒。 據(jù)此，該團(tuán)隊(duì)估計(jì)準(zhǔn)粒子一次可以跨越 25 微米的距離——顯然足以讓我們從中提取可用的計(jì)算結(jié)果。

研究人員表示，使用激子-極化子對(duì)的系統(tǒng)的理論處理速度（開關(guān)速度）可以達(dá)到比當(dāng)前千兆赫電子器件可實(shí)現(xiàn)的納秒高六個(gè)數(shù)量級(jí)的性能，突破飛秒尺度。 至少就 Re6Se8Cl2 而言，所有這些都可能在室溫下發(fā)生。

但我們必須再說一遍：除非我們坐在未被發(fā)現(xiàn)的錸礦脈上（或者我們?cè)谔罩械哪硞€(gè)地方發(fā)現(xiàn)了這些儲(chǔ)量），否則 Re6Se8Cl2 并不是硅殺手。 但這是奠定我們半導(dǎo)體未來的重要組成部分。 這里學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)可以轉(zhuǎn)移到其他粒子（無論是否是超原子）上，以幫助硅保持我們的虛擬世界的運(yùn)轉(zhuǎn)，還有待觀察。