科学家意外发明新材料 可制造新一代半导体芯片

化学家们意外地发明了一种不寻常的新材料，它所制造的半导体可将运算处理速度降低到飞秒（femto-seconds）等级，使下一代计算机变得更快。

该材料是由铼、硒和氯组成的分子，称为Re₆Se₈Cl₂。其发明者表示，用Re₆Se₈Cl₂制成的计算机芯片传输信息的速度是硅基芯片的两倍。令人惊讶的是，这是因其会减慢而非加快电子的速度。

哥伦比亚大学化学家杰克‧图利亚格 （Jack Tulyag）及其同事10月26日在《科学》（Science）杂志上发表了这一研究成果。

当图利亚格及其同事将奇怪的新分子引入化学家泽维尔‧罗伊（Xavier Roy）的实验室时，并未期望它能发挥多大作用，而是想测试罗伊实验室新显微镜的分辨率。但Re₆Se₈Cl₂的导电能力令所有人感到惊讶——事实上，其导电能力介于铜线和橡胶等绝缘体之间。换句话说，这种材料就是物理学家所说的半导体：现代电子学的支柱。

当今最著名的半导体材料是硅，它是元素周期表中的第14号元素。如果你将一块硅连接到电流上，然后深入观察其内部（想像你有神奇的亚原子视觉），你会看到原子轻微振动。其实所有物质的原子始终都在这样振动着；这就是产生热量的原因。当你观察时，你可以看到所有振动产生奇怪的微小粒子，称为声子。

你可能更熟悉光子，这种微小的波状粒子（或者它们是波状粒子吗？事实是：波与粒子同时存在，因为物理学在这方面非常奇怪）携带着光的能量。声子在这方面跟光子类似，只不过它们携带热量，在物理学上又称为“振动机械能”。

硅样本中的电子以令人难以置信的速度快速移动，毕竟，电流只是电子在材料中移动而产生的。所以看起来硅的导电速度应该超快。但当电子撞上光子时，它会弹开，并朝新的方向运动。所有这些分散的、弹跳的电子都移动得很快，但也覆盖了朝向各个方向的更远的距离，因此它们从A点到B点所需的时间比预期的要长。

这就是为什么Re₆Se₈Cl₂如此重要。电子在其中的移动速度更慢，因此当其撞击声子时，不会弹开，而会粘住。电子和声子一起形成一种新粒子，称“声学激子-极子（acoustic exciton-polaron）”，或简称“极子”。极子在Re₆Se₈Cl₂中的移动速度不如电子在硅中移动的速度快，但采用更直接的路径，因此它们从A点到B点的速度是电子的两倍。

等等，没那么快！

从技术上讲，用Re₆Se₈Cl₂制成的计算机芯片可以具有飞秒级的处理速度，这比当今处理器的纳秒速度快约一百万倍，不过有一个很大的问题。

铼（Rhenium）是Re₆Se₈Cl₂的关键成分，是地球上最稀有的元素之一。用它制造计算机芯片的成本高得令人咋舌。但图利亚格及其同事表示，已从Re₆Se₈Cl₂不寻常的特性中学到了足够的知识，可以继续寻找其它可以实现同样效果的材料，而且其在地球上存在的数量要合理得多。

这项研究的资深作者、哥伦比亚大学化学家米兰‧德洛尔（Milan Delor）在一份声明中表示：“有一整套二维半导体材料，其特性也有利于声学极子的形成。”二维半导体可以将原子剥离到单层的厚度并与其它材料分层交织在一起。这种材料将可能类似于Re₆Se₈Cl₂，并具有很好的应用前景。