"Superatomisches" Material übertrifft Silizium als schnellster Halbleiter aller Zeiten

Halbleiter sind das Herzstück elektronischer Geräte und Silizium herrscht unangefochten. Diese Materialien bilden die Grundlage für Transistoren und integrierte Schaltkreise, die wiederum die Grundlage für Smartphones bis hin zu Supercomputern bilden.

Wissenschaftler der Columbia University haben nun ein neues Halbleitermaterial entdeckt, das anscheinend alle anderen übertrifft. Der Stoff, bekannt als Re6Se8Cl2, besteht aus einer Mischung aus Rhenium, Selen und Chlor, deren Atome sich zu Clustern zusammenfügen und sich wie ein einziges großes Atom verhalten – ein "Superatom". Und genau hier liegt die Schnelligkeit des Materials.

In jedem Material entstehen durch die atomare Struktur winzige Vibrationen, die als Quantenteilchen namens Phononen weitergegeben werden. Diese können energietragende Teilchen wie Elektronen oder Exzitonen streuen. Diese Energie geht schnell als Wärme verloren, und ihre Kontrolle ist eine ständige Hürde beim Design von elektronischen Chips und Systemen.

Aber Re6Se8Cl2 hat einen cleveren Trick auf Lager. Seine Exzitonen streuen nicht, wenn sie von Phononen getroffen werden, sondern binden sich tatsächlich an sie und bilden eine neue Art von Quasiteilchen namens akustischer Exziton-Polarons. Diese können immer noch Energie transportieren, bewegen sich aber viel langsamer als normale Exzitonen - und paradoxerweise führt dies letztendlich zu schnelleren Geschwindigkeiten als bei Silizium.

Das Team vergleicht dies mit der alten Geschichte von der Schildkröte und dem Hasen. Elektronen können in Silizium sehr schnell reisen, aber sie prallen ständig hin und her, was nicht der effizienteste Reiseweg ist. Die Polaronen in Re6Se8Cl2 hingegen sind langsamer und werden nicht von anderen Phononen beeinflusst, sodass sie im Laufe der Zeit weiter und gleichmäßiger vorankommen.

Das Team stellte fest, dass sich die Polaronen in Re6Se8Cl2 tatsächlich etwa doppelt so schnell bewegen wie Elektronen in Silizium. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass sie durch Licht statt durch Elektrizität gesteuert werden können, schätzt das Team, dass theoretische elektronische Geräte, die mit dem Material hergestellt werden, sechs Größenordnungen schneller sein könnten als vorhandene Geräte.

"Was den Energie-Transport betrifft, ist Re6Se8Cl2 der beste Halbleiter, den wir kennen, zumindest bisher", sagt Milan Delor, einer der Autoren der Studie.

Leider sollte man nicht erwarten, dass das Material in naher Zukunft in Ihrem Computer Verwendung findet, da das Team sagt, dass diese spezielle Mischung wahrscheinlich niemals auf den Markt kommen wird. Rhenium ist dafür einfach zu selten und teuer. Aber nachdem das Konzept bewiesen wurde, glauben die Forscher, dass ähnliche, hoffentlich billigere Materialien das gleiche Verhalten zeigen könnten.

"Jetzt können wir vorhersagen, welche anderen Materialien dieses Verhalten zeigen könnten, an die wir zuvor noch nicht gedacht haben", sagt Delor. "Es gibt eine ganze Familie von superatomaren und anderen 2D-Halbleitermaterialien mit Eigenschaften, die sich für die Bildung von akustischen Polaronen eignen."

Quelle: A Superatomic Semiconductor Sets a Speed Record | Columbia Quantum Initiative
DOI: 10.1126/science.adf2698