新型“超原子”材料击败硅，缔造迄今最快、最高效半导体纪录

半导体材料是电子设备心脏，目前由硅主导，构成电晶体和积体电路基础，但硅的缺点在未来很难满足更高效半导体元件需求。最近，哥伦比亚大学科学家发现一种新“超原子”材料，缔造出迄今为止速度最快、效能最高的半导体纪录。

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

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，后者能散射电子或激子等携带能量的粒子。当声子与电洞相互作用，会导致半导体内能量以热能方式耗散，从而限制能量和资讯传输速度，这是该领域无法解决的障碍。

但哥伦比亚大学团队最近在实验室制造出由铼、硒、氯混合物组成的新材料，称为 Re6Se8Cl2，这些原子聚集后表现得像一个大原子──称为“超原子”，其半导体性能比迄今已知的所有半导体材料都还要优秀。

研究人员发现，Re6Se8Cl2 的激子被声子撞击时并不会散射，而是与声子结合产生另一种形式的准粒子，称为声激子-极化子，它们仍可携带能量，行进速度变得比一般激子慢──但这最终导致比硅材料电子更快的传输速度。

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

团队利用龟兔赛跑解释这种现象。当电子非常快速地穿过硅，它们往往会到处反弹分散，以热量形式浪费能量，因此不是最有效传播路径;Re6Se8Cl2 材料内的极化子不受其他声子散射作用影响，随着时间推移，这些准粒子反而移动得更远且更快。

或者说单看数据从 A 传输到 B 所需时间，Re6Se8Cl2 极化子移动速度事实上是硅材料电子 2 倍。

研究人员称，使用这种材料制造的电子设备，理论上速度会比现有设备快 6 个数量级，且室温下就能运作。

不过别指望这种特殊混合物材料很快就会出现在市场──以消费品来说，铼太稀有且昂贵，基本上不可能商用，但团队相信会有类似且更便宜的超原子材料表现出相同行为，或可用更低成本的技术制造 Re6Se8Cl2，这都会大幅提升电脑晶片运作速度。

新论文发表在《科学》（Science）期刊。