Półprzewodniki – takie jak krzem – są podstawą współczesnych komputerów, smartfonów i innych urządzeń elektronicznych. Są one wszechobecne, choć mają swoje ograniczenia. Struktura atomowa każdego materiału wibruje, co powoduje powstawanie cząstek zwanych fononami, a te z kolei sprawiają, że tzw. ekscytony (cząstki takie jak elektrony), które przenoszą informację wokół urządzeń elektronicznych, rozpraszają się w ciągu ułamków metrów i sekund. Półprzewodnik traci energię w postaci ciepła, a transfer informacji ma ograniczoną prędkość.
Czytaj też: Wielka zagadka rozwikłana. Ten materiał to podstawa półprzewodników przyszłości
Chemicy z Columbia University pod kierunkiem prof. Milana Delora i dr Jacka Tulyaga opracowali najszybszy i najwydajniejszy półprzewodnik w historii: materiał superatomowy o wzorze chemicznym Re6Se8Cl2. Szczegóły opisano w czasopiśmie Science.
Niesamowity półprzewodnik superatomowy z najrzadszym pierwiastkiem na Ziemi
Superatomy to skupiska połączonych ze sobą atomów, które zachowują się jak jeden duży atom, ale mają inne właściwości niż pierwiastki użyte do ich budowy. Re6Se8Cl2 to półprzewodnik superatomowy. Zespół prof. Delora interesuje się kontrolowaniem i manipulowaniem transportem energii przez superatomy i w tym celu buduje narzędzia do obrazowania o superrozdzielczości, które mogą wychwytywać cząstki poruszające się w ultramałych i ultraszybkich skalach.
Czytaj też: Chowajcie krzem i grafen. Oto nadchodzi rewolucja układów półprzewodnikowych
Kiedy dr Tulyag wprowadził Re6Se8Cl2 do laboratorium, nie miał na celu poszukiwania nowego i ulepszonego półprzewodnika, chciał tylko przetestować rozdzielczość mikroskopów laboratoryjnych za pomocą materiału, który w zasadzie nie powinien był niczego przewodzić.
Było odwrotnie, niż się spodziewaliśmy. Zamiast powolnego ruchu, jakiego się spodziewaliśmy, zobaczyliśmy najszybszą rzecz, jaką kiedykolwiek widzieliśmy. Prof. Milan Delor
Eksperymenty wykazały, że cząstki zwane polaronami w Re6Se8Cl2 poruszały się dwa razy szybciej niż elektrony w krzemie i pokonały dystans kilku mikronów w czasie krótszym niż nanosekunda. Biorąc pod uwagę, że polarony “żyją” przez ok. 11 nanosekund, uczeni uważają, że te występujące w niezwykłym półprzewodniku mogą jednorazowo pokryć obszar większy niż 25 mikrometrów. A ponieważ są kontrolowane przez światło, a nie prąd elektryczny, ich prędkości mogą potencjalnie sięgać femtosekund. To sześć rzędów wielkości więcej niż nanosekundy osiągane obecnie w elektronice – wszystko to w temperaturze pokojowej.
Krzem jest tak dobrym półprzewodnikiem, gdyż elektrony mogą się przez niego przemieszczać szybko, ale podobnie jak przysłowiowy zając, odbijają się za bardzo i w rzeczywistości nie docierają zbyt daleko. Ekscytony w Re6Se8Cl2 są stosunkowo bardzo powolne, ale właśnie dlatego są w stanie spotkać się i połączyć w pary z równie wolno poruszającymi się fononami. Powstałe kwazicząstki są “ciężkie” i podobnie jak żółw poruszają się powoli, ale równomiernie.
Podobnie jak wiele nowych materiałów kwantowych, 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.
