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美国可能又有了一项从0到1的突破性发现——室温超原子半导体，未来我们或许可以从根本上不再用电子，而是用激子来传输数据，从而让计算机芯片的速度暴涨100到1000倍。不过这项技术的落地因为要使用一种稀有元素而困难重重，甚至可能根本就无法商业化应用，这究竟是怎么回事呢？ 这项发现来自哥伦比亚大学的团队，他们发现了迄今为止速度最快、效率最高的半导体：一种名为Re6Se8Cl2，由铼、硒和氯通过范德华力堆叠而成的超原子材料，在这种材料中，原子会形成簇，但在某些方面仍然像原始的元素一样，这就让它有了极为特殊的性质。
我们都知道，芯片是通过电压推动电子形成电流来传输数据的，但电子在芯片里跑动的时候，会遇到很多障碍，比如芯片里面的原子和声子（晶格振动的量子化），导致电子减速或散射，把电能变成了热能。 还有些电子会和空穴结合在一起，形成激子。激子是一种特殊的电子，可以带着能量和信息，在芯片里面像光一样传递信号。但激子也会遇到原子和声子的阻碍，导致它们失去能量和方向，从而降低输速度和效率。 这就是为什么芯片会发热的根本原因，如果我们想让芯片不发热，或者发热少一点，就需要找到一种新的芯片材料，让电子和激子跑得更快，或者跑得更顺畅。
哥伦比亚大学的研究人员在实验室中合成了Re6Se8Cl2这种超原子材料，通过扫描隧道显微镜观察了它的结构和性质，并用飞秒激光脉冲来激发出激子，然后用超快光谱仪来测量它们的传输过程，结果发现了一种叫做声学激子-极化子的电子准粒子，它可以与声子形成共振态，避免与晶格振动（声子）发生散射，从而实现无损耗的传输，提高芯片的速度和效率。 在观察Re6Se8Cl2中的极化子传输过程中，科学家们发现它可以在室温下以准弹道、类波的方式在纳秒和微米的尺度上持续传播。这种传输方式使得Re6Se8Cl2的电子能量传播长度远远超过其他范德华半导体，甚至超过了硅。科学家们认为，这种非凡的传输性质是由于Re6Se8Cl2中准平坦的电子能带和强烈的激子-声学声子耦合共同作用的结果。
领导这项研究的化学教授米兰·德洛尔认为，如果能够用这种新材料制造一种使用激子而不是电子的晶体管，那么激子就可以在晶体管的两端之间无散射地传输，这会让它们从A点到B点的速度比硅芯片中的电子快100到1000倍，这意味着理论上可以把千兆赫的晶体管开关速度，提高到几百千兆赫或者甚至一太赫，从而导致性能的大幅提升。 而更加令人惊喜的是，这种材料还可以剥离成原子薄片，和其它类似材料结合在一起，再加上它可调节的光学和电子性质，将可能开辟一种新的半导体材料和传输机制，制造更灵活、更多功能的高速、低耗芯片，有可能彻底改变现有的芯片技术和计算能力，为未来的量子计算和信息技术提供了一个新的平台，完全可以说是从0到1的革命性突破。
不过研究人员感到有些悲观，因为现在的硅芯片已有几十年的开发历史了，使用这种新材料将让他们重新回到原点，难度可想而知。而更大的问题是铼这种金属极为稀缺，地壳中含量比所有稀土元素都少，美国地质调查局报告探明的全球铼储量只有2500吨，价格高达两三百元/克，这让它基本不可能用于商业化开发，而更可能在航天和量子计算等领域得到一些应用。 这项研究发表在10月26日《科学》杂志上。 论文：https://www./doi/10.1126/science.adf2698 特别声明：本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布，仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。 |
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