Padł nowy rekord prędkości. To może znacznie przyśpieszyć działanie elektroniki
Chemicy z Uniwersytetu Columbia w Nowym Jorku dokonali odkrycia przepływu balistycznego w materiale kwantowym. Co to dokładnie oznacza? Nazwa tego procesu może brzmi skomplikowanie, ale przede wszystkim chodzi o to, że wkrótce mogą powstać urządzenia elektroniczne wykorzystujące bardziej wydajne półprzewodniki. To mogłoby istotnie przyspieszyć ich działanie.
Półprzewodniki, a szczególnie krzem, mają kluczowe znaczenie dla działania urządzeń elektronicznych, takich jak komputery, telefony komórkowe itp.
Nanometry i femtosekundy
Mimo powszechnego zastosowania, półprzewodniki posiadają istotne wady. Ich struktura atomowa jest podatna na wibracje, co powoduje, że generowane są w nich cząstki kwantowe znane jako fonony. Zjawiska te prowadzą do rozpraszania cząstek (elektronów lub par elektron-pusta przestrzeń, zwanych ekscytonami), które odpowiadają za transport energii oraz informacji w urządzeniach elektronicznych.
Rozpraszanie zachodzi na bardzo małych odległościach, mierzonych w nanometrach, i w niezwykle krótkich odstępach czasu, określanych przy użyciu femtosekund. Choć skala tego zjawiska jest mikroskopijna, rozpraszanie energii powoduje generowanie ciepła i jest związane z ograniczeniem szybkości transferu informacji.
Nadzieje na zmianę tego stanu rzeczy dają cząstki określane jako ekscytony Re6-Se8-Cl2. Nazwa ta jest po prostu wzorem chemicznym: Re, to pierwiastek chemiczny ren, Se to selen, a Cl to chlor. Naukowcy używają także terminu "superatomowy półprzewodnik”, by opisać te cząstki. Ekscytony te, zamiast rozpraszać się przy kontakcie z fononami, wiążą się z nimi, tworząc nowe kwazicząstki zwane "akustycznymi polaronami ekscytonowymi". Chociaż polarony występują w wielu materiałach, te w ekscytonach Re6-Se8-Cl2 mają wyjątkową cechę. Są bowiem zdolne do tzw. przepływu balistycznego lub bezrozproszeniowego. Oznacza to po prostu, że przy ich użyciu następuje mniejsze rozproszenie energii.
Więcej o najnowszych osiągnięciach naukowych w elektronice przeczytasz tutaj:
Eksperymenty dotyczące nowych półprzewodników zostały przeprowadzone na Uniwersytecie Columbia przez zespół pod kierownictwem doktoranta Jacka Tulyaga i profesora chemii Milana Delora. Dostarczyły one ważnych informacji. Okazało się, że akustyczne polarony ekscytonowe w Re6-Se8-Cl2 poruszały się dwa razy szybciej niż elektrony w krzemie. Naukowcy zwracają uwagę na to, że jeśli założymy, że polarony mogą istnieć przez około 11 nanosekund, to dystans, jaki mogą przebyć w tym czasie, może wynosić ponad 25 mikrometrów. Pomimo technicznych zawiłości tych terminów, sama fraza „dwa razy szybciej" mówi wystarczająco wiele. W kontekście elektroniki „szybciej" to bowiem niemal zawsze zaleta.
Co więcej, te specyficzne cząstki są kontrolowane przez światło, a nie prąd elektryczny. To oznacza, że teoretycznie prędkość przetwarzania danych w urządzeniach z ich zastosowaniem może być na tyle duża, że da się ją mierzyć w pojedynczych femtosekundach. To aż sześć rzędów wielkości szybsze przetwarzanie niż obecnie używane w urządzeniach elektronicznych. Dodatkowo cały ten superszybki proces może zachodzić w temperaturze pokojowej.
Co ciekawe, jak często w nauce, odkrycie to zostało dokonane przypadkiem. Jak mówi Jack Tulyag:
Kiedy po raz pierwszy wprowadziłem Re6-Se8-Cl2 do systemu, nie chodziło mi o poszukiwanie nowego i ulepszonego półprzewodnika. Chciałem przetestować rozdzielczość mikroskopów laboratoryjnych za pomocą materiału, który w zasadzie nie powinien niczego przewodzić. To było przeciwieństwo tego, czego się spodziewałem. Zamiast powolnego ruchu, którego oczekiwałem, zobaczyłem najszybszy proces, jaki kiedykolwiek zaobserwowaliśmy w naszym laboratorium.
Wtóruje mu czuwający nad jego pracami profesor Delor:
Pod względem transportu energii, Re6Se8Cl2 jest najlepszym półprzewodnikiem, jaki znamy, przynajmniej jak dotąd.
"Ociężałe" kwazicząstki
Dlaczego to właśnie krzem jest tak wydajnym półprzewodnikiem? Jest tak dlatego, że elektrony mogą poruszać się w nim bardzo szybko. Jednocześnie jednak "odbijają" się na starcie zbyt mocno i ostatecznie nie docierają daleko. Większość ich energii jest zużyta na początku. Natomiast ekscytony w Re6-Se8-Cl2 przemieszczają się stosunkowo wolniej. Jednak to dzięki temu są w stanie spotkać się i sparować z innymi cząstkami, takimi jak fonony akustyczne, poruszającymi się z równie niewielką prędkością.
Powstałe w ten sposób kwazicząstki są - jak nazywają to kolokwialnie naukowcy - "ociężałe". Dzięki temu poruszają się powoli, ale stabilnie. Ich ruch, niezakłócony przez inne fonony napotkane po drodze, sprawia, że ostatecznie akustyczne polarony ekscytonowe w Re6-Se8-Cl2 przekazują informacje szybciej niż elektrony w krzemie. Innymi słowy, to nie prędkość ruchu, a jego niezakłócone tempo jest w tym przypadku kluczowe dla osiągnięcia szybszego przesyłu danych.
Podobnie jak w przypadku wielu innych nowych materiałów kwantowych, Re6-Se8-Cl2 może być formowany w arkusze o grubości jednego atomu. Dzięki temu istnieje potencjał łączenia go z innymi podobnymi materiałami w celu poszukiwania jeszcze nieodkrytych, unikalnych właściwości. Dalsze badania w tej dziedzinie są konieczne, bowiem ren, będący pierwszym z pierwiastków w cząsteczce Re6-Se8-Cl2, należy do najrzadszych na Ziemi. To powoduje, że jest też niezwykle drogi.
Naukowcy są jednak dobrej myśli. Jak podsumowuje wspomniany profesor Delor:
Teraz, dzięki zdobytej wiedzy, możemy zacząć przewidywać, jakie inne materiały mogą być zdolne do takiego zachowania, a których wcześniej nie braliśmy pod uwagę. Istnieje cała rodzina superatomowych i innych dwuwymiarowych materiałów półprzewodnikowych o właściwościach sprzyjających akustycznemu tworzeniu się polaronów.
