半導體材料是電子設備心臟，目前由矽主導，構成電晶體和積體電路基礎，但矽的缺點在未來很難滿足更高效半導體元件需求。最近，哥倫比亞大學科學家發現一種新「超原子」材料，締造出迄今為止速度最快、效能最高的半導體紀錄。
矽是目前最廣泛應用的半導體材料，但矽本身的電子、電洞遷移速度在未來很難滿足更高效半導體元件需求。
在任何材料中，原子晶格結構都會發出微小振動並以聲子形式傳播，後者能散射電子或激子等攜帶能量的粒子。當聲子與電洞相互作用，會導致半導體內能量以熱能方式耗散，從而限制能量和資訊傳輸速度，這是該領域無法解決的障礙。
但哥倫比亞大學團隊最近在實驗室製造出由錸、硒、氯混合物組成的新材料，稱為 Re6Se8Cl2，這些原子聚集後表現得像一個大原子──稱為「超原子」，其半導體性能比迄今已知的所有半導體材料都還要優秀。
研究人員發現，Re6Se8Cl2 的激子被聲子撞擊時並不會散射，而是與聲子結合產生另一種形式的準粒子，稱為聲激子-極化子，它們仍可攜帶能量，行進速度變得比一般激子慢──但這最終導致比矽材料電子更快的傳輸速度。
▲ 矽材料的電子像兔子亂蹦，Re6Se8Cl2 材料的聲激子-極化子像烏龜穩定前進。（Source：）
團隊利用龜兔賽跑解釋這種現象。當電子非常快速地穿過矽，它們往往會到處反彈分散，以熱量形式浪費能量，因此不是最有效傳播路徑；Re6Se8Cl2 材料內的極化子不受其他聲子散射作用影響，隨著時間推移，這些準粒子反而移動得更遠且更快。
或者說單看數據從 A 傳輸到 B 所需時間，Re6Se8Cl2 極化子移動速度事實上是矽材料電子 2 倍。
研究人員稱，使用這種材料製造的電子設備，理論上速度會比現有設備快 6 個數量級，且室溫下就能運作。
不過別指望這種特殊混合物材料很快就會出現在市場──以消費品來說，錸太稀有且昂貴，基本上不可能商用，但團隊相信會有類似且更便宜的超原子材料表現出相同行為，或可用更低成本的技術製造 Re6Se8Cl2，這都會大幅提升電腦晶片運作速度。
發表在《科學》（Science）期刊。
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標題：新型「超原子」材料擊敗矽，締造迄今最快、最高效半導體紀錄
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