Trwają poszukiwania lepszych półprzewodników. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Science zespół chemików z Uniwersytetu Columbia pod kierownictwem Jacka Tulyaga, doktoranta współpracującego z profesorem chemii Milanem Delorem, opisuje najszybszy i najbardziej wydajny półprzewodnik w historii: materiał superatomowy o nazwie Re6Se8Cl2.
Półprzewodniki – w szczególności krzem – stanowią podstawę komputerów, telefonów komórkowych i innych urządzeń elektronicznych, które zasilają nasze codzienne życie, w tym urządzenia, na którym czytasz ten artykuł. Choć półprzewodniki stały się wszechobecne, mają one swoje ograniczenia. Struktura atomowa dowolnego materiału wibruje, co powoduje powstawanie cząstek kwantowych zwanych fononami. Fonony z kolei powodują, że cząstki – elektrony lub pary elektron-dziura zwane ekscytonami – które przenoszą energię i informacje wokół urządzeń elektronicznych, rozpraszają się w ciągu nanometrów i femtosekund. Oznacza to, że energia jest tracona w postaci ciepła, a transfer informacji ma ograniczoną prędkość.
Trwają poszukiwania lepszych opcji. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Science zespół chemików z Uniwersytetu Columbia pod kierownictwem Jacka Tulyaga, doktoranta współpracującego z profesorem chemii Milanem Delorem, opisuje najszybszy i najbardziej wydajny półprzewodnik w historii: materiał superatomowy o nazwie Re6Se8Cl2.
Zamiast rozpraszać się w kontakcie z fononami, ekscytony w Re6Se8Cl2 w rzeczywistości wiążą się z fononami, tworząc nowe kwazicząstki zwane ekscytonami akustycznymi-polaronami. Chociaż polarony występują w wielu materiałach, polarony w Re6Se8Cl2 mają szczególną właściwość: są zdolne do przepływu balistycznego, czyli wolnego od rozproszenia. To balistyczne zachowanie może pewnego dnia oznaczać szybsze i wydajniejsze urządzenia.
W eksperymentach przeprowadzonych przez zespół polarony ekscytonów akustycznych w Re6Se8Cl2 poruszały się szybko – dwa razy szybciej niż elektrony w krzemie – i przekroczyły kilka mikronów próbki w czasie krótszym niż nanosekunda. Biorąc pod uwagę, że polarony mogą przetrwać około 11 nanosekund, zespół uważa, że polarony ekscytonowe mogą jednorazowo pokryć obszar większy niż 25 mikrometrów. A ponieważ te kwazicząstki są kontrolowane przez światło, a nie prąd elektryczny i bramkowanie, prędkości przetwarzania w urządzeniach teoretycznych mogą potencjalnie sięgać femtosekund – czyli sześć rzędów wielkości szybciej niż nanosekundy osiągalne w obecnej elektronice gigahercowej. Wszystko w temperaturze pokojowej.
„Jeśli chodzi o transport energii, Re6Se8Cl2 jest najlepszym półprzewodnikiem, jaki znamy, przynajmniej jak dotąd” – powiedział Delor.
Kwantowa wersja żółwia i zająca
Re6Se8Cl2 to półprzewodnik nadatomowy stworzony w laboratorium współpracownika Xaviera Roya. Superatomy to skupiska połączonych ze sobą atomów, które zachowują się jak jeden duży atom, ale mają inne właściwości niż pierwiastki użyte do ich budowy. Synteza superatomów jest specjalnością laboratorium Roya i stanowi główny przedmiot zainteresowania finansowanego przez NSF Centrum Nauki i Inżynierii Materiałów w Kolumbii, zajmującego się precyzyjnie zmontowanymi materiałami kwantowymi. Delor interesuje się kontrolowaniem i manipulowaniem transportem energii przez superatomy i inne unikalne materiały opracowane w Kolumbii. W tym celu zespół buduje narzędzia do obrazowania o super rozdzielczości, które mogą wychwytywać cząstki poruszające się w ultramałych i ultraszybkich skalach.
Kiedy Tulyag po raz pierwszy wprowadził Re6Se8Cl2 do laboratorium, nie miał na celu poszukiwania nowego i ulepszonego półprzewodnika – miał na celu przetestowanie rozdzielczości mikroskopów laboratoryjnych za pomocą materiału, który w zasadzie nie powinien był niczego przewodzić. „To było przeciwieństwo tego, czego się spodziewaliśmy” – powiedział Delor. „Zamiast powolnego ruchu, jakiego się spodziewaliśmy, zobaczyliśmy najszybszą rzecz, jaką kiedykolwiek widzieliśmy”.
Tulyag i jego koledzy z grupy Delora spędzili następne dwa lata pracując nad ustaleniem, dlaczego Re6Se8Cl2 wykazuje tak niezwykłe zachowanie, w tym opracowując zaawansowany mikroskop o ekstremalnej rozdzielczości przestrzennej i czasowej, który może bezpośrednio obrazować polarony podczas ich formowania się i przemieszczania się przez materiał. Chemik teoretyczny Petra Shih, doktorantka pracująca w grupie Timothy’ego Berkelbacha, również opracowała model mechaniki kwantowej, który wyjaśnia obserwacje.
Nowe kwazicząstki są szybkie, ale wbrew intuicji osiągają tę prędkość, kontrolując swoje tempo – trochę jak w historii o żółwiu i zającu – wyjaśnił Delor. To, co sprawia, że krzem jest pożądanym półprzewodnikiem, polega na tym, że elektrony mogą przez niego przemieszczać się bardzo szybko, ale podobnie jak przysłowiowy zając odbijają się zbyt mocno i w rzeczywistości nie docierają zbyt daleko, a w końcu bardzo szybko. Ekscytony w Re6Se8Cl2 są stosunkowo bardzo powolne, ale to właśnie dlatego, że są tak wolne, są w stanie spotkać się i połączyć w pary z równie wolno poruszającymi się fononami akustycznymi. Powstałe kwazicząstki są „ciężkie” i podobnie jak żółw poruszają się powoli, ale równomiernie. Niezakłócone przez inne fonony, akustyczne polarony ekscytonowe w Re6Se8Cl2 ostatecznie poruszają się szybciej niż elektrony w krzemie.
Poszukiwania półprzewodników trwają
Podobnie jak wiele nowych materiałów kwantowych badanych w Columbii, Re6Se8Cl2 można rozłożyć na cienkie jak atomy arkusze, co oznacza, że można je potencjalnie łączyć z innymi podobnymi materiałami w poszukiwaniu dodatkowych, unikalnych właściwości. Jest jednak mało prawdopodobne, aby Re6Se8Cl2 kiedykolwiek trafił do produktu komercyjnego — pierwszy pierwiastek w cząsteczce, ren, jest jednym z najrzadszych na Ziemi i w rezultacie niezwykle drogim.
Jednak mając w ręku nową teorię grupy Berkelbacha oraz zaawansowaną technikę obrazowania opracowaną przez Tulyaga i grupę Delora w celu bezpośredniego śledzenia powstawania i ruchu polaronów, zespół jest gotowy sprawdzić, czy istnieją inni superatomowi pretendenci zdolny do pobicia rekordu prędkości Re6Se8Cl2.
„To jedyny materiał, w którym ktokolwiek zaobserwował ciągły transport ekscytonów balistycznych w temperaturze pokojowej. Możemy jednak teraz zacząć przewidywać, jakie inne materiały mogą wykazywać takie zachowanie, którego wcześniej nie rozważaliśmy” – powiedział Delor. „Istnieje cała rodzina materiałów półprzewodnikowych nadatomowych i innych materiałów półprzewodnikowych 2D o właściwościach sprzyjających tworzeniu się polaronów akustycznych”.