新型合成超原子材料是“世界上最好的半导体”

它可能永远不会取代硅——但它可能带来更多可能。

哥伦比亚大学的化学家团队在《科学》杂志上撰文描述了一种超原子材料——Re6Se8Cl2——这是目前已知的最快、最高效的半导体。 其速度的关键是什么？ 信息和计算的执行方式。 因此，当研究人员说他们发现了“世界上最好的半导体材料”——一种可以取代硅成为我们虚拟世界的地图集的材料时——我们必须引起注意。

硅（Si）是元素周期表中最有趣的元素之一。 几乎所有有集成电路 (IC) 的地方都存在硅； 没有它，我们就会失去世界上的一切虚拟内容，以及我们用来理解和操作世界的大多数工具。 硅很重要。

相比之下，Re6Se8Cl2 是一种合成的超原子材料：你在野外的任何地方都找不到它。 超原子仅仅意味着 Re6Se8Cl2 中的原子元素表现得像一个大原子，但实际上表现出的属性大于其基本部分的总和。 Re6Se8Cl2 是在该论文的合作者之一 Xavier Roy 的实验室中制造的。

不过，硅和我们现在都可以高枕无忧，因为我们很快就不必将计算机内部的芯片称为由“Re6Se8Cl2”制成：铼，构成这种新材料的分子的第一种元素 半导体材料在地球上极为罕见（使其大规模制造成本高昂）。 Re6Se8Cl2 更像是一个模糊未来电子学的测试平台，也是行为、模式和物理学的罗塞塔石碑，可能有助于到达那里（在这种情况下，到达目的地意味着必须运行整个科学过程） 过程）。

Re6Se8Cl2 与其他科学突破并没有什么不同，因为它是“我们所知道的在能量传输方面最好的半导体”的发现纯属偶然。 由于电子运动缓慢，它的目的是测试团队的超分辨率成像工具； 然而，当它展现出子弹般的速度时，研究重点（适当地）发生了变化。

超原子能量传输（或乌龟如何打败兔子）

电子和基本粒子有很多层，我们在解释“什么是超导体？”时（非常简单地）介绍了其中一些层。 但一个好的起点是知道电流是电子的（相对）有序运动——没有这种有序流动，就无法通电。 同时，正是这些相同的电子，我们可以将信息状态归因于“开”和“关”。 

没有电力，就没有数字化的东西。 不同的材料传导或超导电子的能力相对较好或较差：有些材料在从材料的一点移动到另一点时会浪费更多数量的电子（作为热量），有些材料甚至可以将电子变成库珀对，以这样的方式协调它们的运动 这样就不会浪费能量：超导现象的一个方面。

在硅中，称为激子（电子或电子空穴对）的粒子负责携带电流和信息，并且它们做得足够好：我们正在突破量子物理和超级计算机以及新的英特尔和 AMD CPU 毕竟，还有它的其他有用形式。 但新材料 Re6Se8Cl2 却很奇特：它允许信息被携带在一种称为声激子极化子的新准粒子的背面（顾名思义，准粒子几乎变成了粒子，而他们的名字是指它们更小） 比原子）。 这些激子极化子是由 Re6Se8Cl2 内的激子（电子或电子空穴对）和声子（通过任何材料（包括 Re6Se8Cl2）的原子结构振动产生的另一种基本粒子）之间的奇怪相互作用产生的。

这些准粒子，这些激子极化子，还有另一个非常独特的特性：弹道学。 在Re6Se8Cl2中，充满信息的声激子极化子向前推进而不是散射； 他们击中了目标，而不是在周围的“每一个”亚原子碎片上跳舞和浪费能量。 

也许解释这一点的一个好方法是想象电子通常表现得就像是被霰弹枪发射的：弹丸随意散开，以不同的方式推动，有些甚至在弹丸处于静止状态时设法相互碰撞。 它就像电子一样，它们最终确实会到达那里……同时在途中留下一些杂散粒子，在这个过程中浪费能量。

激子极化子更像是单次激发，因为它们沿直线遵循其喷射路径。 这是它们速度有多快的关键，也是我们可以理解的； 直接前往目的地往往是到达目的地的最快方式。 在此过程中，激子极化子穿过材料样品的速度是电子通常穿过硅的速度的两倍（在不到一纳秒的时间内穿过几微米的样品）。

有趣的是，激子极化子在传输能量方面比硅中的电子更好更快，部分原因在于它们实际上从根本上来说更慢。 但是，一个运动速度比另一个慢的粒子实际上比另一个粒子跑得快怎么可能呢？ 这一切都取决于 Re6Se8Cl2 激子与硅中的电子对应物相比如何喷射。 由于 Re6Se8Cl2 中的激子喷射速度较慢，因此它们的速度实际上更接近声子（通过任何材料的原子结构振动产生的粒子）的速度，从而使它们能够配对并解锁最短的可用路径 他们的目的地。 在足够慢的激子速度下，声子可以灵活地进入乘客座位，而不是撞击汽车本身。 而且由于激子极化子本身的移动速度已经比平常慢，因此它们还可以避免硅电子可以避免的更多常见障碍。 交通有时会因速度减慢而变得更快。

总结

目前预计激子极化子将进行进一步的工程设计，使其能够持续长达 11 纳秒。 据此，该团队估计准粒子一次可以跨越 25 微米的距离——显然足以让我们从中提取可用的计算结果。

研究人员表示，使用激子-极化子对的系统的理论处理速度（开关速度）可以达到比当前千兆赫电子器件可实现的纳秒高六个数量级的性能，突破飞秒尺度。 至少就 Re6Se8Cl2 而言，所有这些都可能在室温下发生。

但我们必须再说一遍：除非我们坐在未被发现的铼矿脉上（或者我们在太空中的某个地方发现了这些储量），否则 Re6Se8Cl2 并不是硅杀手。 但这是奠定我们半导体未来的重要组成部分。 这里学到的经验教训可以转移到其他粒子（无论是否是超原子）上，以帮助硅保持我们的虚拟世界的运转，还有待观察。