Новый суператомный полупроводник позволяет создать гораздо более быструю электронную технику

Исследователи Колумбийского университета открыли новый полупроводник Re6Se8Cl2, превосходящий возможности традиционного кремния. Этот суператомный материал обладает уникальными свойствами, в частности, позволяет частицам двигаться без рассеивания, что открывает путь к созданию гораздо более быстрых электронных устройств. Однако, несмотря на его потенциал, высокая стоимость некоторых его компонентов препятствует его коммерческому применению.

Полупроводники, в частности кремний, лежат в основе наших компьютеров, смартфонов и других электронных устройств. Однако они имеют свои ограничения. Одним из основных ограничений является потеря энергии в виде тепла, обусловленная рассеиванием электронных частиц.

Атомная структура любого материала вибрирует, создавая квантовые частицы, называемые фононами. Они вызывают рассеяние частиц — электронов или электронно-дырочных пар, называемых экситонами, — которые переносят энергию и информацию по электронным устройствам за нанометры и фемтосекунды. Это означает, что передача информации имеет предельную скорость.

Недавно группа химиков из Колумбийского университета под руководством Джека Туляга и профессора Милана Делора открыла потенциально революционный полупроводник — суператомный материал Re6Se8Cl2. Он может по-новому определить стандарты скорости и эффективности в этой области. Соответствующая исследовательская работа опубликована в журнале Science.

Удивительные свойства

Полупроводники, такие как кремний, необходимы для передачи информации в наших электронных устройствах. Однако Re6Se8Cl2 демонстрирует иную динамику. Вместо того чтобы рассеиваться при контакте с фононами, экситоны в этом материале фактически связываются с фононами, образуя новые квазичастицы, называемые акустическими экситон-поляронами. Хотя поляроны встречаются во многих материалах, те, что присутствуют в Re6Se8Cl2, обладают особым свойством. Они способны двигаться, не встречая препятствий в микроскопических масштабах, что обусловливает отсутствие дисперсии.

Это свойство имеет огромное значение, поскольку позволяет передавать информацию более плавно и быстро. В ходе проведенных испытаний экситон-поляроны продемонстрировали скорость, вдвое превышающую скорость электронов в кремнии, преодолевая микрометрические расстояния за рекордно короткое время. Учитывая, что поляроны могут существовать около 11 наносекунд, команда считает, что полярон-экситоны могут преодолевать более 25 микрометров за один раз.

Более того, поскольку эти квазичастицы управляются светом, а не электрическим током и триггером, скорость обработки данных в теоретических устройствах может достигать фемтосекунд, что на шесть порядков медленнее, чем наносекунда, достижимая в современной гигагерцовой электронике. И все это при комнатной температуре.

Милан Делор (Milan Delor) из Колумбийского университета, который также является соавтором исследования, утверждает в пресс-релизе: «С точки зрения переноса энергии Re6Se8Cl2 является лучшим из известных нам полупроводников, по крайней мере, до сих пор».

Re6Se8Cl2 — результат сотрудничества с Ксавье Роем, лаборатория которого специализируется на создании суператомов. Эти структуры интересны тем, что они объединяют несколько атомов в единое целое, которое по своему поведению напоминает отдельный атом, но с усиленными или измененными свойствами. Первоначальной целью введения Re6Se8Cl2 в лабораторию не было служить миру полупроводников. На самом деле Джек Туляг просто хотел оценить способность лабораторных микроскопов визуализировать этот материал. Однако в ходе испытаний команда наблюдала неожиданное явление: материал демонстрировал беспрецедентную скорость смещения частиц.

Кремний высоко ценится как полупроводник, поскольку через него быстро проходят электроны. Однако эти электроны часто тормозятся многочисленными препятствиями. Re6Se8Cl2, напротив, работает по-другому. Его экситоны движутся медленно, но эта медлительность позволяет им эффективно связываться с акустическими фононами. Образующиеся квазичастицы, хотя и «тяжелые», но движутся неуклонно, как черепаха. Это непрерывное движение в конечном итоге позволяет акустическим фононам-эксцитонам в Re6Se8Cl2 обогнать скорость электронов в кремнии.

При всей своей перспективности Re6Se8Cl2 сталкивается с определенными трудностями. По мнению авторов, микросхемы на основе этого материала не увидят свет еще несколько лет. Специалисты потратили десятилетия на освоение производства кремниевых чипов, а использование нового материала означает начало работы с нуля. Кроме того, рений, один из его элементов, является одним из самых редких и дорогих на Земле. Поэтому микросхемы на основе Re6Se8Cl2 могут быть разработаны для специальных целей, например, для аэрокосмической отрасли или квантовых вычислений.