دانشمندان به سرعت‌ترین ماده نیمه‌رسانای تاریخ دست یافتند

دانشمندان یک ماده ابراتمی، یا همان سوپراتمیک، را کشف کرده‌اند که به نظر می‌رسد سریع‌ترین و کارآمدترین نیمه‌رسانای تاریخ است. این ماده جدید توانایی انتقال انرژی را به صورت بسیار سریع‌تر از سیلیکون دارد. نیمه‌رساناها، به عنوان قلب تپنده دستگاه‌های الکترونیکی، تاکنون سیلیکون برتری را در نقش سریع‌ترین نیمه‌رسانا داشته‌اند.

بر اساس گزارش منتشر شده در مجله Science، دانشمندان دانشگاه کلمبیا یک ماده نیمه‌رسانای نوین با نام علمی Re6Se8Cl2 کشف کرده‌اند که به نظر می‌رسد از سایر مواد برتری داشته باشد. این ترکیب شامل عناصر رنیوم، سلنیوم و کلر است و زمانی که چند اتم در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند، همچون یک اتم بزرگ یا ابراتم عمل می‌کنند و سرعت آن‌ها به شدت افزایش می‌یابد.

قبل از این کشف، سیلیکون به عنوان ماده حاکم در دنیای نیمه‌رساناها مطرح بوده است. این ماده اساس ترانزیستورها و مدارهای مجتمع یا IC را تشکیل می‌دهد؛ به عبارت دیگر، اکثر از دستگاه‌های هوشمند و حتی ابرکامپیوترها از این مواد استفاده می‌کنند.

عملکرد ماده ابراتمی جدید در نقش سریع‌ترین نیمه‌رسانا تاریخ

در هر ماده‌ای، ساختارهای اتمی ارتعاشات ریزی ایجاد می‌کنند که در قالب ذرات کوانتومی به نام فونون حرکت می‌کنند. این ارتعاشات قادرند ذرات حامل انرژی، مانند الکترون‌ها یا اکسیتون‌ها را پراکنده کنند. این انرژی به سرعت به گرما تبدیل شده و از بین می‌رود. مدیریت این انرژی یکی از چالش‌های اساسی در طراحی تراشه‌ها و سیستم‌های الکترونیکی محسوب می‌شود.

به‌نظر می‌رسد که Re6Se8Cl2 با یک ترفند کوچک قادر است این مسئله را حل کند. در برخورد با فونون‌ها، اکسیتون‌ها در این ماده نه فقط پراکنده نمی‌شوند، بلکه به آن‌ها متصل می‌شوند و یک شبه‌ذره به نام اکسیتون-پلارون صوتی ایجاد می‌کنند. این شبه‌ذره‌ها همچنان قابلیت حمل انرژی را دارند، اما با حرکت بسیار آهسته‌تر نسبت به اکسیتون‌های معمولی؛ به‌طور غیرمنتظره، این حرکت آهسته نهایتاً منجر به افزایش سرعت انتقال انرژی نسبت به سیلیکون می‌شود.

محققان از داستان قدیمی لاک پشت و خرگوش بهره می‌برند تا برخی خصوصیات این شبه‌ذره را با الکترون مقایسه کنند. الکترون‌ها در سیلیکون می‌توانند به سرعت حرکت کنند، اما تمایل دارند در فضا پراکنده شوند که این خلل در کارایی آن‌ها تاثیرگذار است. به همین دلیل، پلارون‌های Re6Se8Cl2 از حرکت کندتری برخوردارند، اما تحت تأثیر فونون‌های دیگر قرار نمی‌گیرند؛ بنابراین، حرکت آن‌ها به صورت پیوسته و دورانی ادامه می‌یابد.

در واقع، محققان به این نتیجه رسیده‌اند که پلارون‌های Re6Se8Cl2 تقریباً دو برابر سریعتر از الکترون‌های موجود در سیلیکون حرکت می‌کنند، زیرا می‌توان آن‌ها را با استفاده از نور به جای برق کنترل کرد. این در نتیجه ممکن است باعث ساخت دستگاه‌های الکترونیکی با عملکرد 6 برابر سریع‌تر از دستگاه‌های موجود شود.

متأسفانه، امکان ورود این ماده خاص به بازار به‌سرعت وجود ندارد. محققان معتقدند که این ترکیب، به دلیل کمیابی و گرانی رنیوم، به شکل گسترده در بازار عرضه نخواهد شد. با این حال، پس از اثبات سرعت بالای این نیمه‌رسانا، ممکن است با استفاده از مواد مشابه و ارزان‌تر، بتوان قطعاتی با رفتار مشابه تولید کرد.