Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng vật liệu “siêu nguyên tử” là chất bán dẫn nhanh nhất và hiệu quả nhất từ trước đến nay. Tận dụng cơ chế rùa và thỏ, vật liệu mới có thể vận chuyển năng lượng nhanh hơn nhiều so với silicon.
Chất bán dẫn là trái tim đang đập của các thiết bị điện tử và silicon chiếm vị trí tối cao. Những vật liệu này tạo thành nền tảng của bóng bán dẫn và mạch tích hợp, bản thân chúng đặt nền tảng cho điện thoại thông minh, siêu máy tính và mọi thứ ở giữa.
Giờ đây, các nhà khoa học tại Đại học Columbia đã tìm ra một loại vật liệu bán dẫn mới có vẻ vượt trội hơn tất cả những vật liệu còn lại. Được biết đến với cái tên Re 6 Se 8 Cl 2 , vật liệu này được tạo thành từ hỗn hợp rheni, selen và clo, các nguyên tử của chúng tập hợp lại với nhau và hoạt động giống như một nguyên tử lớn – một “siêu nguyên tử”. Và đây là nơi nó có được tốc độ.
Ở bất kỳ vật liệu nào, cấu trúc nguyên tử đều tạo ra những rung động cực nhỏ di chuyển dưới dạng các hạt lượng tử gọi là phonon, có thể phân tán các hạt mang năng lượng như electron hoặc kích thích. Năng lượng này nhanh chóng bị mất đi dưới dạng nhiệt và việc quản lý nó là một trở ngại thường xuyên trong việc thiết kế các hệ thống và chip điện tử.
Nhưng Re 6 Se 8 Cl 2 có một mẹo nhỏ thú vị. Các chất kích thích của nó không phân tán khi chúng bị va chạm bởi các phonon mà thực sự liên kết với chúng, tạo ra một dạng giả hạt khác gọi là exciton-polon âm thanh. Chúng vẫn có thể mang năng lượng, nhưng di chuyển chậm hơn nhiều so với các chất kích thích thông thường – và trái ngược với trực giác, điều này cuối cùng dẫn đến tốc độ nhanh hơn so với ở silicon.
Nhóm so sánh nó với câu chuyện xưa Rùa và Thỏ. Các electron có thể di chuyển rất nhanh qua silicon, nhưng chúng có xu hướng nảy lên khắp nơi, đây không phải là đường di chuyển hiệu quả nhất. Mặt khác, các phân cực trong Re 6 Se 8 Cl 2 chậm hơn và không bị ảnh hưởng bởi các phonon khác nên chúng chuyển động xa hơn và ổn định hơn theo thời gian.
Trên thực tế, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các phân cực trong Re 6 Se 8 Cl 2 chuyển động nhanh gấp đôi so với các electron trong silicon. Tính đến việc chúng có thể được điều khiển bằng ánh sáng thay vì điện, nhóm nghiên cứu ước tính rằng các thiết bị điện tử lý thuyết được chế tạo bằng vật liệu này có thể nhanh hơn sáu bậc độ lớn so với các thiết bị hiện có.
Milan Delor, tác giả của nghiên cứu cho biết : “Về mặt vận chuyển năng lượng, Re 6 Se 8 Cl 2 là chất bán dẫn tốt nhất mà chúng tôi biết, ít nhất là cho đến nay”.
Thật không may, đừng mong đợi những bộ xử lý có tốc độ cực nhanh sẽ sớm sử dụng vật liệu trong máy tính của bạn – nhóm cho biết công thức pha chế đặc biệt này khó có thể xuất hiện trên thị trường. Rhenium quá hiếm và đắt đối với hàng tiêu dùng. Nhưng sau khi chứng minh được khái niệm này, các nhà nghiên cứu tin rằng những vật liệu tương tự, hy vọng rẻ hơn, có thể biểu hiện hành vi tương tự.
Delor cho biết: “Bây giờ chúng tôi có thể bắt đầu dự đoán những vật liệu nào khác có thể có đặc tính này mà trước đây chúng tôi chưa từng xem xét”. “Có cả một họ vật liệu bán dẫn siêu nguyên tử và 2D khác với những đặc tính thuận lợi cho sự hình thành phân cực âm thanh.”