半导体介于金属导体和玻璃绝缘体之间，是我们当代电子产品的基础。半导体主要由硅组成，包括内存模块、微处理器和其他芯片，几乎所有电子设备中都包含这些芯片。尽管如此，它们并非完美无缺，存在固有限制。

　　由于半导体内部固有的量子速度限制，所有半导体都会发生热量损失。当任何材料的原子结构振动时，会产生声子，即量子粒子。作为反应，声子导致能量和数据载流子(称为激子或电子-空穴对)在纳秒或飞秒内分散。数据传输速率有限，超过一定限度，热量就会损失。

　　最近，纽约哥伦比亚大学的科学家发现了一种更高效的超原子半导体。根据实验，这种半导体是世界上最快的，因为它能以电子在硅中移动速度的两倍传输准粒子。

　　超原子半导体

　　迄今为止最高效、最快的半导体是一种名为Re6Se8Cl2的超原子材料，哥伦比亚大学化学家团队在发表于《科学》杂志的文章中描述了这种材料。该团队由博士生Jack Tulyag和化学教授Milan Delor领导。作为一种超原子材料，其铼(Re)、硒(Se)和氯(Cl)原子聚集在一起，并在某些方面表现出与原始元素相似的行为。

　　Delor对通过超原子和其他在哥伦比亚开发的新材料操纵和控制能量传输感兴趣。该团队通过开发能够以极小和极快速度捕捉运动粒子的超高分辨率成像仪器来实现这一目标。

　　这种材料中的激子运动比硅中的电子慢。然而，重要的是要注意，激子沿着完全直线路径移动，使它们能够以更快的速度覆盖更远的距离。与传统半导体不同，在Re6Se8Cl2超原子半导体中，声子不会导致能量载流子分散，从而避免了信息传输的减速。

　　这是因为，在Re6Se8Cl2中，能量粒子和声子结合在一起。这些元素的结合产生了称为声学激子极子的独特准粒子。这些粒子具有特殊性质，因为它们可以在不分散的情况下移动，这可能导致开发出更快速、更高效的技术。

　　准粒子在Re6Se8Cl2中以硅电子速度的两倍穿过巨大距离。该系统允许通过光而不是电流控制准粒子，理论上允许设备在飞秒尺度上循环，比当代千兆赫CPU实现的纳秒快六个数量级。你甚至可以在室温下完成所有这些操作。

　　“在能量传输方面，Re6Se8Cl2是我们发现的最好的半导体，”Delor说。

　　Re6Se8Cl2中的极子可以做到其他材料无法做到的事情：它们可以以弹道或无散射方式流动。有一天，使用这种弹道行为的设备可能更快、更高效。

　　该团队的研究表明，Re6Se8Cl2中的声学激子极子在不到一毫秒的时间内穿越了材料中的多个微米，这是硅电子速度的两倍。该小组认为，考虑到极子持续时间约为11纳秒，激子极子可能同时穿越超过25微米。

　　由于这些准粒子由光而不是电流和门控控制，理论设备中的处理速率可能接近飞秒(比当代千兆赫电子设备实现的纳秒快六个数量级)。

　　‘龟兔赛跑’

　　为了澄清这一现象，Delor使用了《伊索寓言》中龟兔赛跑的比喻(图1)。快速移动的电子使硅如此吸引人。然而，它们向各个方向分散，就像匆忙的兔子一样，没有覆盖太多领地。Re6Se8Cl2中的激子与这种情况形成鲜明对比。它们与以类似蜗牛速度移动的声子融合，但仍然缓慢。这些产生的准粒子移动缓慢但稳定。与硅电子相比，超原子最终允许更快的移动性。

　　电子在硅中移动的惊人速度使其成为有吸引力的半导体;然而，就像兔子一样，由于它们过度跳跃，最终无法在短时间内覆盖很远的距离。Re6Se8Cl2中相对较慢的激子可以与以相同相对缓慢速度移动的声学声子相遇并配对，因为它们的极慢速度。与乌龟类似，产生的准粒子“沉重”且以悠闲但稳定的速度移动。由于不受其他声子限制，Re6Se8Cl2中的声学激子极子可以超过硅中的电子。

　　挑战和未来应用

　　Re6Se8Cl2由铼、硒和氯原子组成。然而，铼是地球上最稀有的元素之一，这导致了其高成本。这种类型的超原子材料很可能永远不会被纳入普通电子设备。

　　然而，这一发现提供了许多机会。Delor建议存在一整套超原子和其他二维半导体材料，它们具有有利于声学极子产生的特性。该团队兴奋地使用新理论和成像技术发现更多超原子材料，这些材料可能在性能上超过Re6Se8Cl2，并可能利用更容易获得的化学成分。

　　像哥伦比亚大学研究的新量子材料中的许多一样，Re6Se8Cl2可以轻松分离成原子薄片。这种性质为将它们与相关材料结合以发现甚至更有趣的组合进行实验打开了大门。

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