科學家意外發明新材料 可製造新一代半導體芯片

硅基芯片及電路板示意圖。(Shutterstock)

 

 

【大紀元2023年11月05日訊】（大紀元記者林達編譯報導）化學家們意外地發明了一種不尋常的新材料，它所製造的半導體可將運算處理速度降低到飛秒（femto-seconds）等級，使下一代計算機變得更快。

 

該材料是由錸、硒和氯組成的分子，稱為Re₆Se₈Cl₂。其發明者表示，用Re₆Se₈Cl₂製成的計算機芯片傳輸信息的速度是矽基芯片的兩倍。令人驚訝的是，這是因其會減慢而非加快電子的速度。

 

哥倫比亞大學化學家傑克‧圖利亞格 （Jack Tulyag）及其同事10月26日在《科學》（Science）雜誌上發表了這一研究成果。

 

電子、聲子和極子

 

當圖利亞格及其同事將奇怪的新分子引入化學家澤維爾‧羅伊（Xavier Roy）的實驗室時，並未期望它能發揮多大作用，而是想測試羅伊實驗室新顯微鏡的分辨率。但Re₆Se₈Cl₂的導電能力令所有人感到驚訝——事實上，其導電能力介於銅線和橡膠等絕緣體之間。換句話說，這種材料就是物理學家所說的半導體：現代電子學的支柱。

 

當今最著名的半導體材料是矽，它是元素周期表中的第14號元素。如果你將一塊矽連接到電流上，然後深入觀察其內部（想像你有神奇的亞原子視覺），你會看到原子輕微振動。其實所有物質的原子始終都在這樣振動著；這就是產生熱量的原因。當你觀察時，你可以看到所有振動產生奇怪的微小粒子，稱為聲子。

 

你可能更熟悉光子，這種微小的波狀粒子（或者它們是波狀粒子嗎？事實是：波與粒子同時存在，因為物理學在這方面非常奇怪）攜帶著光的能量。聲子在這方面跟光子類似，只不過它們攜帶熱量，在物理學上又稱為「振動機械能」。

 

矽樣本中的電子以令人難以置信的速度快速移動，畢竟，電流只是電子在材料中移動而產生的。所以看起來矽的導電速度應該超快。但當電子撞上光子時，它會彈開，並朝新的方向運動。所有這些分散的、彈跳的電子都移動得很快，但也覆蓋了朝向各個方向的更遠的距離，因此它們從A點到B點所需的時間比預期的要長。

 

這就是為什麼Re₆Se₈Cl₂如此重要。電子在其中的移動速度更慢，因此當其撞擊聲子時，不會彈開，而會粘住。電子和聲子一起形成一種新粒子，稱「聲學激子-極子（acoustic exciton-polaron）」，或簡稱「極子」。極子在Re₆Se₈Cl₂中的移動速度不如電子在矽中移動的速度快，但採用更直接的路徑，因此它們從A點到B點的速度是電子的兩倍。

 

等等，沒那麼快！

 

從技術上講，用Re₆Se₈Cl₂製成的計算機芯片可以具有飛秒級的處理速度，這比當今處理器的納秒速度快約一百萬倍，不過有一個很大的問題。

 

錸（Rhenium）是Re₆Se₈Cl₂的關鍵成分，是地球上最稀有的元素之一。用它製造計算機芯片的成本高得令人咋舌。但圖利亞格及其同事表示，已從Re₆Se₈Cl₂不尋常的特性中學到了足夠的知識，可以繼續尋找其它可以實現同樣效果的材料，而且其在地球上存在的數量要合理得多。

 

這項研究的資深作者、哥倫比亞大學化學家米蘭‧德洛爾（Milan Delor）在一份聲明中表示：「有一整套二維半導體材料，其特性也有利於聲學極子的形成。」二維半導體可以將原子剝離到單層的厚度並與其它材料分層交織在一起。這種材料將可能類似於Re₆Se₈Cl₂，並具有很好的應用前景。

 

責任編輯：孫芸