化學家們意外地發(fā)明了一種不尋常的新材料，它所制造的半導(dǎo)體可將運算處理速度降低到飛秒（femto-seconds）等級，使下一代計算機變得更快。

該材料是由錸、硒和氯組成的分子，稱為Re?Se?Cl?。其發(fā)明者表示，用Re?Se?Cl?制成的計算機芯片傳輸信息的速度是硅基芯片的兩倍。令人驚訝的是，這是因其會減慢而非加快電子的速度。

哥倫比亞大學化學家杰克?圖利亞格 （Jack Tulyag）及其同事10月26日在《科學》（Science）雜志上發(fā)表了這一研究成果。

電子、聲子和極子

當圖利亞格及其同事將奇怪的新分子引入化學家澤維爾?羅伊（Xavier Roy）的實驗室時，并未期望它能發(fā)揮多大作用，而是想測試羅伊實驗室新顯微鏡的分辨率。但Re?Se?Cl?的導(dǎo)電能力令所有人感到驚訝——事實上，其導(dǎo)電能力介于銅線和橡膠等絕緣體之間。換句話說，這種材料就是物理學家所說的半導(dǎo)體：現(xiàn)代電子學的支柱。

當今最著名的半導(dǎo)體材料是硅，它是元素周期表中的第14號元素。如果你將一塊硅連接到電流上，然后深入觀察其內(nèi)部（想像你有神奇的亞原子視覺），你會看到原子輕微振動。其實所有物質(zhì)的原子始終都在這樣振動著；這就是產(chǎn)生熱量的原因。當你觀察時，你可以看到所有振動產(chǎn)生奇怪的微小粒子，稱為聲子。

你可能更熟悉光子，這種微小的波狀粒子（或者它們是波狀粒子嗎？事實是：波與粒子同時存在，因為物理學在這方面非常奇怪）攜帶著光的能量。聲子在這方面跟光子類似，只不過它們攜帶熱量，在物理學上又稱為“振動機械能”。

硅樣本中的電子以令人難以置信的速度快速移動，畢竟，電流只是電子在材料中移動而產(chǎn)生的。所以看起來硅的導(dǎo)電速度應(yīng)該超快。但當電子撞上光子時，它會彈開，并朝新的方向運動。所有這些分散的、彈跳的電子都移動得很快，但也覆蓋了朝向各個方向的更遠的距離，因此它們從A點到B點所需的時間比預(yù)期的要長。

這就是為什么Re?Se?Cl?如此重要。電子在其中的移動速度更慢，因此當其撞擊聲子時，不會彈開，而會粘住。電子和聲子一起形成一種新粒子，稱“聲學激子-極子（acoustic exciton-polaron）”，或簡稱“極子”。極子在Re?Se?Cl?中的移動速度不如電子在硅中移動的速度快，但采用更直接的路徑，因此它們從A點到B點的速度是電子的兩倍。

等等，沒那么快！

從技術(shù)上講，用Re?Se?Cl?制成的計算機芯片可以具有飛秒級的處理速度，這比當今處理器的納秒速度快約一百萬倍，不過有一個很大的問題。

錸（Rhenium）是Re?Se?Cl?的關(guān)鍵成分，是地球上最稀有的元素之一。用它制造計算機芯片的成本高得令人咋舌。但圖利亞格及其同事表示，已從Re?Se?Cl?不尋常的特性中學到了足夠的知識，可以繼續(xù)尋找其它可以實現(xiàn)同樣效果的材料，而且其在地球上存在的數(shù)量要合理得多。

這項研究的資深作者、哥倫比亞大學化學家米蘭?德洛爾（Milan Delor）在一份聲明中表示：“有一整套二維半導(dǎo)體材料，其特性也有利于聲學極子的形成。”二維半導(dǎo)體可以將原子剝離到單層的厚度并與其它材料分層交織在一起。這種材料將可能類似于Re?Se?Cl?，并具有很好的應(yīng)用前景。

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