哥伦比亚大学科学家的突破性发现

半导体材料一直以来都扮演着电子设备的心脏角色，而硅则是当前主要的半导体材料。然而，硅却存在一些缺陷，限制了未来更高效的半导体元件的需求。最近，哥伦比亚大学的科学家们取得了一项重大突破，他们发现了一种新型的"超原子"材料，创造出有史以来速度最快、效率最高的半导体记录。

硅是目前最广泛使用的半导体材料，但硅本身的电子和电洞迁移速度在未来很难满足更高效的半导体元件需求。

在任何材料中，原子晶格结构都会发出微小振动并以声子形式传播，后者能散射电子或携带能量的粒子，如激子。当声子与电洞相互作用，会导致半导体内的能量以热能方式散失，从而限制了能量和信息传输速度，这是该领域一直未能解决的难题。

然而，哥伦比亚大学的团队最近在实验室中成功合成了一种新型材料，由铼、硒、氯混合而成，被命名为Re6Se8Cl2。这些原子凝聚在一起，表现出类似"超原子"的行为，其半导体性能优于目前已知的任何半导体材料。

研究人员发现，Re6Se8Cl2中的激子不会像在其他材料中一样被声子撞击而散射，相反，它们与声子结合，形成了一种新的准粒子，称为声激子-极化子。尽管这些准粒子的行进速度较一般激子慢，但与硅相比，它们不受声子散射的干扰，可以传输更快的电子。

▲ 硅材料的电子像兔子乱蹦，Re6Se8Cl2 材料的声激子-极化子像烏龜稳定前进。（Source：哥伦比亚大学）

可以将这种现象简单地解释为龟兔赛跑。在硅中，电子快速穿越时常常受到反弹和分散的影响，导致能量以热的方式浪费。然而，Re6Se8Cl2中的极化子在传输过程中不受其他声子的影响，随着时间的推移，它们移动得更远，更快。

具体而言，以从点A传输到点B所需的时间来衡量，Re6Se8Cl2中的极化子传输速度实际上是硅中电子速度的两倍。

研究人员认为，使用这种材料制造的电子设备理论上速度将提高6个数量级，而且还可以在室温下工作。

然而，由于铼等材料的稀缺和高昂，这种特殊混合物材料很难投入市场，尤其是用于消费品。但研究团队相信，未来可能会出现类似且更便宜的"超原子"材料，或者可以使用更低成本的技术来制备Re6Se8Cl2，这将大大提高计算机芯片的运行速度。

这一突破性研究成果已经发表在《科学》（Science）期刊上，为半导体领域的未来发展指明了一条光明的道路。

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