Полупроводники — материалы, которые занимают промежуточное положение между проводниками, такими как металлы, и изоляторами, такими как стекло, — лежат в основе всей нашей современной электроники. Эти полупроводники, изготовленные в основном из кремния, включают в себя модули памяти, микропроцессоры и другие микросхемы, которые можно найти практически во всех электронных устройствах, от смартфонов до тостеров. Но они не идеальны.

Все полупроводники имеют квантовые «лежачие полицейские», из-за которых они теряют энергию в виде тепла. Однако исследователи из Колумбийского университета нашли новый сверхатомный полупроводник, который более эффективен, чем все, что было до него. В экспериментах этот полупроводник переносил квазичастицы в два раза быстрее, чем электроны через кремний, что делало его самым быстрым полупроводником в мире.

Быстрый прорыв

Каждый материал, вплоть до его атомной структуры, вибрирует. Эти вибрации порождают квантовые частицы, известные как фононы. А вот здесь все становится сложнее. Эти фононы заставляют частицы, несущие энергию в наших устройствах, рассеиваться, замедляя передачу информации. И все же сверхатомный полупроводник под названием Re₆Се₈кл.₂ не играет по этим правилам.

В отличие от типичных материалов, где частицы энергии рассеиваются при встрече с фононами, в Re₆Се₈кл.₂, они связываются вместе. Этот союз образует уникальные квазичастицы, известные как акустические экситон-поляроны. Это не просто ваши повседневные частицы; они могут двигаться, не разбрасываясь, потенциально предвещая создание более быстрых и эффективных устройств.

Мало того, что квазичастицы проносились сквозь Re₆Се₈кл.₂ со скоростью, вдвое превышающей скорость электронов в кремнии, но они также преодолевали огромные расстояния. И вместо электричества эти квазичастицы управлялись светом, а это означает, что устройства, основанные на этой установке, теоретически могут работать в фемтосекундном масштабе — на шесть порядков быстрее, чем наносекунда, достижимая в современных гигагерцовых чипах. Все это достижимо при комнатной температуре.

«Что касается транспортировки энергии, Re₆Се₈кл.₂ выделяется как лучший полупроводник, который мы определили», — отмечает профессор Милан Делор из Колумбийского университета.

Черепаха и заяц из полупроводников

Путешествие Ре₆Се₈кл.₂ началась в лаборатории доктора Ксавьера Роя с химического факультета Колумбийского университета, где они специализируются на создании суператомов. Это группы атомов, которые действуют как единое целое, часто со свойствами, отличными от составляющих их элементов. Ре₆Се₈кл.₂ состоит из атомов рения (Re), селена (Se) и хлора (Cl).

Когда Джек Туляг, аспирант Миланской лаборатории, впервые представил это всеобщему вниманию, целью не было найти революционный полупроводник. Скорее, целью было проверить разрешение нового необычного микроскопа на этом материале. Суператом выглядел достаточно сложным для этой работы. Но результаты их ошеломили. Вместо вялого движения они стали свидетелями небывалой скорости.

Объясняя это явление, Делор проводит параллель с басней о черепахе и зайце. Привлекательность кремния заключается в его быстро движущихся электронах. Но они разбегаются, как поспешный заяц, который в итоге не успевает охватить большую территорию. Сравните это с экситонами в Re₆Се₈кл.₂. Они медленные, но сливаются с такими же медленно движущимися фононами. Подобно пресловутой черепахе, образующиеся квазичастицы движутся медленно, но неуклонно. В конечном счете, суператом обеспечивает более быстрое движение, чем электроны в кремнии.

Охота продолжается

Пока Ре₆Се₈кл.₂Потенциал компании впечатляет, но здесь есть одна загвоздка. Элемент рений, ключевой компонент, является одним из самых редких на нашей планете, что делает его дорогим выбором. По всей вероятности, такой суператом никогда не появится в повседневных гаджетах. Но это открытие открыло многие двери. С помощью новых теорий и методов визуализации команда стремится найти другие суператомные материалы, которые могут даже превзойти Re.₆Се₈кл.₂возможно, тот, который включает в себя более доступные химические элементы.

«Это единственный материал, в котором кто-либо видел устойчивый баллистический транспорт экситонов при комнатной температуре. Но теперь мы можем начать предсказывать, какие другие материалы могут быть способны к такому поведению, которое мы раньше не рассматривали», — сказал Делор. «Существует целое семейство суператомных и других двумерных полупроводниковых материалов со свойствами, благоприятными для образования акустических поляронов».

Гонка за лучшими полупроводниками еще далека от завершения. И с каждым шагом мы приближаемся к будущему, в котором наши устройства смогут думать и действовать быстрее, чем мы можем себе представить.

Результаты появились в журнале Наука.