Jednym z powodów ograniczeń prędkości pracy półprzewodników są wibracje atomowe, które przemieszczają się w materiałach stałych w postaci kwazicząstek zwanych fononami. Fonony rozpraszają cząstki przenoszące energię i informacje. W zeszłym miesiącu, w czasopiśmie Science, zespół opublikował artykuł opisujący odkrycie. Wyjaśnia w nim, że struktura atomowa konwencjonalnych półprzewodników poddawana jest wibracjom, w wyniku czego powstają cząstki zwane fononami. Fonony te prowadzą do rozpraszania energii mającej postać ciepła, co spowalnia transfer informacji. Badacze zastosowali i przetestowali inną metodę polegającą na tym, że transport energii odbywa się przez superatomy.

W badaniu, które rozwiązuje problem, jaki powodują fonony, naukowcy eksperymentowali z półprzewodnikiem wykonanym z materiału Re6Se8Cl2. Jest to materiał zbudowany głównie z bardzo rzadkiego pierwiastka, jakim jest ren (do tego dochodzi chlor i selen). Atomy półprzewodnika tworzą skupiska zwane „superatomami”, z których każdy zachowuje się jak jeden duży atom, ale ma inne właściwości niż elementy użyte do ich budowy. Każdy klaster składa się z oktaedru utworzonego z sześciu atomów renu umieszczonych w sześcianie złożonym z ośmiu atomów selenu, z atomem chloru na górze i na dole klastra.

Zobacz również:

• Majowa konferencja Apple może być ważniejsza niż oczekujemy

Elektrony w półprzewodnikach zwykle rozpraszają się po przebyciu zaledwie kilku nanometrów, na co potrzebują czas mierzony w femtosekundach. Dla kontrastu, w nowym materiale elektrony rozpraszały energię po przebyciu kilka mikrometrów (dalej o około 3 rzędy wielkości) w ciągu nanosekundy (dłużej po około 6 rzędów wielkości). Naukowcy zsyntetyzowali superatomowy półprzewodnik Re6Se8Cl2, który w zasadzie nie powinien w ogóle transferować energii. W rzeczywistości okazała się, że była to najszybsza metoda transferowania energii, jaką kiedykolwiek zaobserwowano. Dalsze badania wykazały, dlaczego tak się dzieje. Ekscytony w półprzewodniku Re6Se8Cl2 wiążą się z fononami, tworząc nowe akustyczne kwazicząstki, tzw. polarony.

Cząstki te mają charakterystyczną cechę. Poruszają się dwa razy szybciej niż elektrony w krzemie. Według naukowców to jedyny materiał, w którym ktokolwiek zaobserwował ciągły transport ekscytonów balistycznych w temperaturze pokojowej. Jest jednak jeden i to bardzo poważny minus tego rozwiązania. Podstawowy składnik materiału Re6Se8Cl2 (czyli ren) jest jednym z najrzadszych pierwiastków na Ziemi. To sprawia, że materiał jest bardzo drogi i jest mało prawdopodobne, aby kiedykolwiek rozwiązanie to przybrało postać produktu komercyjnego.