سریعترین چیزی که تا به حال دیده ایم
نیمه هادی ابراتمی رکورد سرعت را ثبت می کند
سریعترین چیزی که تا به حال دیده ایم – محققان دانشگاه کلمبیا Re 6 Se 8 Cl 2 را ساخته اند ، یک نیمه رسانای ابراتمی که با تشکیل شبه ذرات منحصر به فرد، از نظر سرعت و کارایی از سیلیکون بهتر عمل می کند.
این کشف راه را برای کشف مواد جدید در فناوری نیمه هادی ها هموار می کند.
شیمیدانان کلمبیا جریان بالستیک را در یک ماده کوانتومی کشف کردند، یافته ای که می تواند به غلبه بر کاستی ها در نیمه هادی ها کمک کند.
نیمه هادی ها، به ویژه سیلیکون، برای عملکرد دستگاه های الکترونیکی مختلف مانند رایانه ها، تلفن های همراه و دستگاهی که در حال حاضر استفاده می کنید، اساسی هستند.
علیرغم استفاده گسترده، نیمه هادی ها دارای محدودیت های ذاتی هستند.
ساختار اتمی این مواد در معرض ارتعاشات است و در نتیجه ذرات کوانتومی به نام فونون تولید می شود. این فونون ها منجر به پراکندگی ذرات – اعم از الکترون ها یا جفت الکترون-حفره ها به نام اکسیتون – مسئول انتقال انرژی و اطلاعات در دستگاه های الکترونیکی می شوند. پراکندگی در فواصل بسیار کوچک (نانومتر) و بازه های زمانی کوتاه (فمتوثانیه) رخ می دهد و باعث اتلاف انرژی به صورت گرما و ایجاد محدودیت در سرعت انتقال اطلاعات می شود.
جستجو برای گزینه های بهتر ادامه دارد.
تیمی از شیمیدانان در دانشگاه کلمبیا به سرپرستی جک تولیاگ، دانشجوی دکترا که با استاد شیمی میلان دلور کار می‌کند، سریعترین و کارآمدترین نیمه‌رسانا را توصیف می‌کند: ماده‌ای ابراتمی به نام Re 6 Se 8 Cl 2 .
اکسایتون‌ها در Re 6 Se 8 Cl 2 به جای پراکنده شدن در تماس با فونون‌ها، در واقع با فونون‌ها متصل می‌شوند تا شبه ذرات جدیدی به نام اکسایتون-پلارون صوتی ایجاد کنند.
اگرچه پولارون ها در بسیاری از مواد یافت می شوند، اما آنهایی که در Re 6 Se 8 Cl 2 قرار دارند دارای ویژگی خاصی هستند: آنها قادر به جریان بالستیک یا بدون پراکندگی هستند.
این رفتار بالستیک می تواند به معنای دستگاه های سریعتر و کارآمدتر روزی باشد.
در آزمایش‌هایی که توسط این تیم انجام شد، اکسایتون-پلارون‌های صوتی در Re 6 Se 8 Cl 2 سریع حرکت کردند – دو برابر سریعتر از الکترون‌های موجود در سیلیکون – و در کمتر از یک نانوثانیه از چندین میکرون نمونه عبور کردند. با توجه به اینکه پولارون ها می توانند حدود 11 نانوثانیه دوام بیاورند، این تیم فکر می کند که اکسایتون-پلارون ها می توانند بیش از 25 میکرومتر را در یک زمان پوشش دهند.
و از آنجایی که این شبه ذرات به‌جای جریان الکتریکی و دروازه‌ای توسط نور کنترل می‌شوند، سرعت پردازش در دستگاه‌های نظری پتانسیل رسیدن به فمتوثانیه را دارد – شش مرتبه بزرگ‌تر از نانوثانیه‌های قابل دستیابی در الکترونیک فعلی گیگاهرتز. همه در دمای اتاق.
دلور گفت : از نظر انتقال انرژی، Re 6 Se 8 Cl 2 بهترین نیمه هادی است که حداقل تاکنون از آن می شناسیم.
سریعترین چیزی که تا به حال دیده ایم
نسخه کوانتومی لاک پشت و خرگوش
Re 6 Se 8 Cl 2 یک نیمه هادی ابراتمی است که در آزمایشگاه همکار خاویر روی ایجاد شده است.
ابر اتم ها خوشه هایی از اتم های متصل به هم هستند که مانند یک اتم بزرگ رفتار می کنند ، اما با خواص متفاوتی نسبت به عناصری که برای ساختن آنها استفاده می شوند. سنتز ابر اتم ها تخصص آزمایشگاه روی است و تمرکز اصلی مرکز علوم تحقیقات مواد و مهندسی مواد با بودجه NSF کلمبیا در مواد کوانتومی مونتاژ شده دقیق است.
دلور علاقه مند به کنترل و دستکاری انتقال انرژی از طریق سوپراتم ها و سایر مواد منحصر به فرد توسعه یافته در کلمبیا است.
برای انجام این کار، تیم ابزارهای تصویربرداری با وضوح فوق‌العاده می‌سازد که می‌تواند ذراتی را که در مقیاس‌های بسیار کوچک و فوق سریع حرکت می‌کنند، ضبط کند.
زمانی که تولیاگ Re 6 Se 8 Cl 2 را برای اولین بار به آزمایشگاه آورد، به دنبال یک نیمه هادی جدید و بهبودیافته نبود، بلکه برای آزمایش وضوح میکروسکوپ های آزمایشگاهی با ماده ای بود که اصولاً نباید انجام می شد.
خیلی از هر چیزی دلور گفت: «این برخلاف آنچه ما انتظار داشتیم بود.
به‌جای حرکت آهسته‌ای که انتظار داشتیم، سریعترین چیزی را دیدیم که تا به حال دیده‌ایم.»
چیزی که سیلیکون را به نیمه‌رسانای مطلوب تبدیل می‌کند این است که الکترون‌ها می‌توانند خیلی سریع از میان آن حرکت کنند، اما مانند خرگوش ضرب المثلی، آنها بیش از حد به اطراف می‌چرخند و در واقع آن را خیلی دور نمی‌کنند، در نهایت خیلی سریع.
اکسایتون‌ها در Re 6 Se 8 Cl 2 نسبتاً بسیار کند هستند، اما دقیقاً به این دلیل است که آنها بسیار کند هستند که می‌توانند با فونون‌های آکوستیک به همان اندازه آهسته حرکت کنند.
شبه ذرات حاصل “سنگین” هستند و مانند لاک پشت به آرامی اما پیوسته در امتداد پیشروی می کنند.
بدون مانع توسط فونون های دیگر در طول مسیر، اکسایتون-پلارون های صوتی در Re 6 Se 8 Cl 2 در نهایت سریعتر از الکترون های موجود در سیلیکون حرکت می کنند. اعتبار: جک تولیاگ، دانشگاه کلمبیا
تولیاگ و همتایانش در گروه دلور دو سال بعد را صرف کردند تا مشخص کنند که چرا Re 6 Se 8 Cl 2 چنین رفتار قابل توجهی از خود نشان داد، از جمله ساخت یک میکروسکوپ پیشرفته با وضوح مکانی و زمانی فوق العاده که می تواند مستقیماً از پلارون ها در هنگام شکل گیری و حرکت آنها تصویربرداری کند. مواد.
سریعترین چیزی که تا به حال دیده ایم
پترا شی، شیمیدان نظری، دانشجوی دکترا که در گروه تیموتی برکلباخ کار می کند ، نیز یک مدل مکانیکی کوانتومی ایجاد کرد که توضیحی برای مشاهدات ارائه می دهد.
دلور توضیح داد که شبه ذرات جدید سریع هستند، اما به طور غیرمستقیم، آنها این سرعت را با قدم زدن خود به دست می‌آورند – کمی شبیه داستان لاک پشت و خرگوش.
چیزی که سیلیکون را به نیمه‌رسانای مطلوب تبدیل می‌کند این است که الکترون‌ها می‌توانند خیلی سریع از میان آن حرکت کنند، اما مانند خرگوش ضرب المثلی، آنها بیش از حد به اطراف می‌چرخند و در واقع آن را خیلی دور نمی‌کنند، در نهایت خیلی سریع.
اکسایتون‌ها در Re 6 Se 8 Cl 2 نسبتاً بسیار کند هستند، اما دقیقاً به این دلیل است که آنها بسیار کند هستند که می‌توانند با فونون‌های آکوستیک به همان اندازه آهسته حرکت کنند.
شبه ذرات حاصل “سنگین” هستند و مانند لاک پشت به آرامی اما پیوسته در امتداد پیشروی می کنند.
بدون مانع توسط فونون های دیگر در طول مسیر، اکسایتون-پلارون های صوتی در Re 6 Se 8 Cl 2 در نهایت سریعتر از الکترون های موجود در سیلیکون حرکت می کنند.
جستجوی نیمه هادی ادامه دارد
مانند بسیاری از مواد کوانتومی نوظهور که در کلمبیا کاوش می‌شوند، Re 6 Se 8 Cl 2 را می‌توان به صورت ورقه‌های نازک اتمی جدا کرد، این ویژگی به این معنی است که می‌توان آنها را به طور بالقوه با سایر مواد مشابه در جستجوی خواص منحصر به فرد دیگر ترکیب کرد.
با این حال، بعید است که Re 6 Se 8 Cl 2 راه خود را به یک محصول تجاری باز کند – اولین عنصر موجود در مولکول، رنیم، یکی از کمیاب ترین عناصر روی زمین است و در نتیجه بسیار گران است.
اما با در دست داشتن تئوری جدید از گروه برکلباخ به همراه تکنیک تصویربرداری پیشرفته ای که تولیاگ و گروه دلور برای ردیابی مستقیم شکل گیری و حرکت پولارون ها در وهله اول توسعه دادند، تیم آماده است تا ببیند آیا رقبای ابراتمی دیگری وجود دارد یا خیر. می تواند رکورد سرعت Re 6 Se 8 Cl 2 را شکست دهد.
دلور گفت: «این تنها ماده‌ای است که هر کسی انتقال اکسایتون بالستیک پایدار در دمای اتاق را در آن دیده است.
اما اکنون می‌توانیم پیش‌بینی کنیم که چه مواد دیگری می‌توانند این رفتار را داشته باشند که قبلاً در نظر نگرفته‌ایم».
یک خانواده کامل از مواد نیمه رسانای سوپراتمی و دو بعدی دیگر با خواص مطلوب برای تشکیل پولارون آکوستیک وجود دارد.
