超原子材料：下一代半導體的速度之王_風聞

哥倫比亞大學科學家的突破性發現

半導體材料一直以來都扮演着電子設備的心臟角色，而硅則是當前主要的半導體材料。然而，硅卻存在一些缺陷，限制了未來更高效的半導體元件的需求。最近，哥倫比亞大學的科學家們取得了一項重大突破，他們發現了一種新型的"超原子"材料，創造出有史以來速度最快、效率最高的半導體記錄。

硅是目前最廣泛使用的半導體材料，但硅本身的電子和電洞遷移速度在未來很難滿足更高效的半導體元件需求。

在任何材料中，原子晶格結構都會發出微小振動並以聲子形式傳播，後者能散射電子或攜帶能量的粒子，如激子。當聲子與電洞相互作用，會導致半導體內的能量以熱能方式散失，從而限制了能量和信息傳輸速度，這是該領域一直未能解決的難題。

然而，哥倫比亞大學的團隊最近在實驗室中成功合成了一種新型材料，由錸、硒、氯混合而成，被命名為Re6Se8Cl2。這些原子凝聚在一起，表現出類似"超原子"的行為，其半導體性能優於目前已知的任何半導體材料。

研究人員發現，Re6Se8Cl2中的激子不會像在其他材料中一樣被聲子撞擊而散射，相反，它們與聲子結合，形成了一種新的準粒子，稱為聲激子-極化子。儘管這些準粒子的行進速度較一般激子慢，但與硅相比，它們不受聲子散射的干擾，可以傳輸更快的電子。

▲ 硅材料的電子像兔子亂蹦，Re6Se8Cl2 材料的聲激子-極化子像烏龜穩定前進。（Source：哥倫比亞大學）

可以將這種現象簡單地解釋為龜兔賽跑。在硅中，電子快速穿越時常常受到反彈和分散的影響，導致能量以熱的方式浪費。然而，Re6Se8Cl2中的極化子在傳輸過程中不受其他聲子的影響，隨着時間的推移，它們移動得更遠，更快。

具體而言，以從點A傳輸到點B所需的時間來衡量，Re6Se8Cl2中的極化子傳輸速度實際上是硅中電子速度的兩倍。

研究人員認為，使用這種材料製造的電子設備理論上速度將提高6個數量級，而且還可以在室温下工作。

然而，由於錸等材料的稀缺和高昂，這種特殊混合物材料很難投入市場，尤其是用於消費品。但研究團隊相信，未來可能會出現類似且更便宜的"超原子"材料，或者可以使用更低成本的技術來製備Re6Se8Cl2，這將大大提高計算機芯片的運行速度。

這一突破性研究成果已經發表在《科學》（Science）期刊上，為半導體領域的未來發展指明瞭一條光明的道路。

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