Szybkość z powolności. Uczeni zbadali najszybszy i najbardziej wydajny półprzewodnik

Półprzewodniki, przede wszystkim krzem, to podstawa nowoczesnych technologii. Są wszędzie, w komputerach, smartfonach, gadżetach elektronicznych. Mają jednak swoje ograniczenia. Struktura atomowa każdego materiału wibruje, a w wyniku tych wibracji powstają kwazicząstki, fonony. Powodują one, że elektrony czy ekscytony (pary elektron-dziura), które przenoszą energię i informację w półprzewodnikach, rozpraszają się. To prowadzi z jednej strony do utraty energii w postaci ciepła, z drugiej zaś, ogranicza tempo przesyłania informacji w półprzewodnikach.

Doktorant Jack Tulyag i jego zespół z Columbia University opisali na łamach Science najszybszy i najbardziej wydajny półprzewodnik, Re₆Se₈Cl₂. Z badań wynika, że ekscytony w Re₆Se₈Cl₂ nie rozpraszają się w kontakcie z fononami, ale łączą się z nimi, tworząc nowe kwazicząstki nazwane akustycznymi ekscytonami-polaronami. Polarony występują w wielu materiałach, ale te w Re₆Se₈Cl₂ mają specjalną właściwość, są zdolne do transportu balistycznego, czyli bez rozpraszania.

Podczas prowadzonych eksperymentów akustyczne ekscytony-polarony przemieszczały się dwukrotnie szybciej niż elektrony w krzemie i w czasie krótszym niż nanosekunda przebywały odległość liczoną w mikrometrach. Na tej podstawie autorzy badań wyliczają, że skoro polarony mogą istnieć przez około 11 nanosekund, mogą w tym czasie przebyć ponad 25 mikrometrów. Ponieważ zaś te kwazicząstki są kontrolowane za pomocą światła, a nie bramek i napięcia elektrycznego, tempo przetwarzania danych w urządzeniach elektronicznych je wykorzystujących mogłoby sięgać femtosekund. W obecnej elektronice, której częstotliwość pracy liczona jest w gigahercach, przetwarzanie danych odbywa się w czasie nanosekund. Zatem urządzenia korzystające z Re₆Se₈Cl₂ pracowałyby, przynajmniej teoretycznie, o sześć rządów wielkości szybciej. I to w temperaturze pokojowej.

Wbrew intuicji, nowe kwazicząstki są szybkie, gdyż... są powolne. Elektrony w krzemie mogą poruszać się bardzo szybko, jest to jednak ruch dość chaotyczny, wielokrotnie odbijają się się one, przez co nie zawędrują ani zbyt daleko, ani nie przebywają danego odcinka zbyt szybko. Natomiast ekscytony w Re₆Se₈Cl₂ poruszają się znacznie wolniej niż elektrony w krzemie, jednak dzięki temu mogą łączyć się z fononami, tworząc „ciężką” kwazicząstkę, która powoli i konsekwentnie przesuwa się do przodu. W ten sposób konkretny odcinek przebywają szybciej niż elektrony.

Szybkość z powolności. Uczeni zbadali najszybszy i najbardziej wydajny półprzewodnik