科學(xué)家意外發(fā)明新材料，可制造更快的芯片

化學(xué)家們意外地發(fā)明了一種不尋常的新材料，它所制造的半導(dǎo)體可將運(yùn)算處理速度降低到飛秒（femto-seconds）等級(jí)，使下一代計(jì)算機(jī)變得更快。

該材料是由錸、硒和氯組成的分子，稱為Re?Se?Cl?。其發(fā)明者表示，用Re?Se?Cl?制成的計(jì)算機(jī)芯片傳輸信息的速度是硅基芯片的兩倍。令人驚訝的是，這是因其會(huì)減慢而非加快電子的速度。

哥倫比亞大學(xué)化學(xué)家杰克?圖利亞格 （Jack Tulyag）及其同事10月26日在《科學(xué)》（Science）雜志上發(fā)表了這一研究成果。

電子、聲子和極子

當(dāng)圖利亞格及其同事將奇怪的新分子引入化學(xué)家澤維爾?羅伊（Xavier Roy）的實(shí)驗(yàn)室時(shí)，并未期望它能發(fā)揮多大作用，而是想測(cè)試羅伊實(shí)驗(yàn)室新顯微鏡的分辨率。但Re?Se?Cl?的導(dǎo)電能力令所有人感到驚訝——事實(shí)上，其導(dǎo)電能力介于銅線和橡膠等絕緣體之間。換句話說，這種材料就是物理學(xué)家所說的半導(dǎo)體：現(xiàn)代電子學(xué)的支柱。

當(dāng)今最著名的半導(dǎo)體材料是硅，它是元素周期表中的第14號(hào)元素。如果你將一塊硅連接到電流上，然后深入觀察其內(nèi)部（想像你有神奇的亞原子視覺），你會(huì)看到原子輕微振動(dòng)。其實(shí)所有物質(zhì)的原子始終都在這樣振動(dòng)著；這就是產(chǎn)生熱量的原因。當(dāng)你觀察時(shí)，你可以看到所有振動(dòng)產(chǎn)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(shí)是：波與粒子同時(shí)存在，因?yàn)槲锢韺W(xué)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(xué)上又稱為“振動(dòng)機(jī)械能”。

硅樣本中的電子以令人難以置信的速度快速移動(dòng)，畢竟，電流只是電子在材料中移動(dòng)而產(chǎn)生的。所以看起來硅的導(dǎo)電速度應(yīng)該超快。但當(dāng)電子撞上光子時(shí)，它會(huì)彈開，并朝新的方向運(yùn)動(dòng)。所有這些分散的、彈跳的電子都移動(dòng)得很快，但也覆蓋了朝向各個(gè)方向的更遠(yuǎn)的距離，因此它們從A點(diǎn)到B點(diǎn)所需的時(shí)間比預(yù)期的要長。

這就是為什么Re?Se?Cl?如此重要。電子在其中的移動(dòng)速度更慢，因此當(dāng)其撞擊聲子時(shí)，不會(huì)彈開，而會(huì)粘住。電子和聲子一起形成一種新粒子，稱“聲學(xué)激子-極子（acoustic exciton-polaron）”，或簡稱“極子”。極子在Re?Se?Cl?中的移動(dòng)速度不如電子在硅中移動(dòng)的速度快，但采用更直接的路徑，因此它們從A點(diǎn)到B點(diǎn)的速度是電子的兩倍。

等等，沒那么快！

從技術(shù)上講，用Re?Se?Cl?制成的計(jì)算機(jī)芯片可以具有飛秒級(jí)的處理速度，這比當(dāng)今處理器的納秒速度快約一百萬倍，不過有一個(gè)很大的問題。

錸（Rhenium）是Re?Se?Cl?的關(guān)鍵成分，是地球上最稀有的元素之一。用它制造計(jì)算機(jī)芯片的成本高得令人咋舌。但圖利亞格及其同事表示，已從Re?Se?Cl?不尋常的特性中學(xué)到了足夠的知識(shí)，可以繼續(xù)尋找其它可以實(shí)現(xiàn)同樣效果的材料，而且其在地球上存在的數(shù)量要合理得多。

這項(xiàng)研究的資深作者、哥倫比亞大學(xué)化學(xué)家米蘭?德洛爾（Milan Delor）在一份聲明中表示：“有一整套二維半導(dǎo)體材料，其特性也有利于聲學(xué)極子的形成?！倍S半導(dǎo)體可以將原子剝離到單層的厚度并與其它材料分層交織在一起。這種材料將可能類似于Re?Se?Cl?，并具有很好的應(yīng)用前景。

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