这是世界上速度最快的半导体吗？

哥伦比亚大学一化学家团队介绍了一种据称速度最快、效率最高的半导体：一种名为Re₆Se₈Cl₂的超原子材料。该团队由在读博士Jack Tulyag领导，还包括化学系教授Milan Delor。

Milan Delor说：“就能量传输而言，Re₆Se₈Cl₂可以说是我们所知最好的半导体，至少目前为止是这样。”

原子结构振动时，会产生量子粒子，即声子。声子转而散射半导体器件中携带能量和信息的电子或电子-空穴对（激子）。散射不仅会减慢信息传输速度，还会使能量以热能的形式损失。

Re₆Se₈Cl₂中的激子不会被声子散射，相反，会与声子结合，产生新的准粒子，即声激子-极子。虽然这种极子存在于许多材料中，但Re₆Se₈Cl₂中的极子能以弹道或无散射方式流动。

龟兔赛跑

虽然硅中的电子移动速度很快，但它们就像龟兔赛跑中的兔子一样，四处弹跳，并不能快速跑远（上左图）。Re₆Se₈Cl₂中的激子移动速度要慢得多，但意味着它们可与同样移动缓慢的声子相遇并配对（上右图）。由此产生的准粒子很“重”，就像乌龟一样，缓慢而稳定地前进。研究人员表示，如果不受其他声子的阻碍，Re₆Se₈Cl₂中的声激子-极子最终会比硅中的电子移动得更快。

在该研究团队的实验中，Re₆Se₈Cl₂中的声激子-极子移动速度很快，是硅中电子移动速度的两倍，在不到一纳秒的时间内，可在样品中跨越几微米。

鉴于极子可以持续约11纳秒，研究团队认为激子-极子一次可覆盖25微米以上的范围。这些准粒子是由光而不是电流和门控控制的，因此理论器件的处理速度有可能达到飞秒级，比目前千兆赫电子器件的纳秒级还快六个数量级。所有实验均在室温下进行。

Re₆Se₈Cl₂是在合作人员Xavier Roy的实验室中创造的超原子半导体。超原子是结合在一起的原子簇，表现得像一个大原子，但性质却不同于构造它们的元素。

Re₆Se₈Cl₂可以被剥离成原子薄片，这一特性使其有可能与其他类似材料结合，以寻求更多独特性质。不过，Re₆Se₈Cl₂不太可能成为商业产品，因为铼是地球上最稀有的元素之一，而且价格极其昂贵。

Milan Delor表示：“目前，这是唯一一种经证实的持续室温弹道激子输运材料。但是，我们现在可以开始预测还有哪些材料可能具有这种行为，而以前我们却从未考虑过这一点。还会有一系列超原子和其他二维半导体材料具备有利于形成声极子的特性。”

参考文献

'Room temperature wavelike exciton transport in a van der Waals superatomic semiconductor' by Jakhangirkhodja Tulyagankhodjaev et al: Science (2023)