Un semi-conducteur superatomique établit un record de vitesse pour le flux balistique

Les semi-conducteurs, notamment le silicium, sont à la base des ordinateurs, des téléphones portables et d’autres appareils électroniques qui alimentent notre vie quotidienne, y compris l’appareil sur lequel vous lisez cet article.

Aussi omniprésents que soient devenus les semi-conducteurs, ils comportent des limites. La structure atomique de tout matériau vibre, ce qui crée des particules quantiques appelées phonons.

Les phonons, à leur tour, provoquent la dispersion des particules – soit des électrons, soit des paires électron-trou appelées excitons – qui transportent l’énergie et les informations autour des appareils électroniques en quelques nanomètres et femtosecondes. Cela signifie que l’énergie est perdue sous forme de chaleur et que le transfert d’informations a une limite de vitesse.

La recherche de meilleures options est en cours. Écrire dans Science, une équipe de chimistes de l’Université de Columbia dirigée par Jack Tulyag, titulaire d’un doctorat. étudiant travaillant avec le professeur de chimie Milan Delor, décrit le semi-conducteur le plus rapide et le plus efficace à ce jour : un matériau superatomique appelé Re₆Se₈Cl₂.

Plutôt que de se disperser lorsqu’ils entrent en contact avec des phonons, les excitons de Re₆Se₈Cl₂ se lient en fait aux phonons pour créer de nouvelles quasiparticules appelées excitons-polarons acoustiques. Bien que les polarons se trouvent dans de nombreux matériaux, ceux de Re₆Se₈Cl₂ ont une propriété particulière : ils sont capables d’un écoulement balistique ou sans dispersion. Ce comportement balistique pourrait un jour signifier des appareils plus rapides et plus efficaces.

Dans les expériences menées par l’équipe, des excitons-polarons acoustiques dans Re₆Se₈Cl₂ se déplaçait rapidement – ​​deux fois plus vite que les électrons du silicium – et traversait plusieurs microns de l’échantillon en moins d’une nanoseconde.

Étant donné que les polarons peuvent durer environ 11 nanosecondes, l’équipe pense que les polarons excitons pourraient couvrir plus de 25 micromètres à la fois. Et comme ces quasi-particules sont contrôlées par la lumière plutôt que par un courant électrique et un déclenchement, les vitesses de traitement dans les dispositifs théoriques ont le potentiel d’atteindre les femtosecondes – six ordres de grandeur plus rapides que les nanosecondes réalisables dans l’électronique Gigahertz actuelle – le tout à température ambiante.

“En matière de transport d’énergie, Re₆Se₈Cl₂ est le meilleur semi-conducteur que nous connaissions, du moins jusqu’à présent”, a déclaré Delor.

Une version quantique de la tortue et du lièvre

Concernant₆Se₈Cl₂ est un semi-conducteur superatomique créé dans le laboratoire du collaborateur Xavier Roy. Les superatomes sont des groupes d’atomes liés entre eux qui se comportent comme un seul gros atome, mais avec des propriétés différentes de celles des éléments utilisés pour les construire. La synthèse des superatomes est une spécialité du laboratoire Roy, et ils constituent l’un des principaux objectifs du Centre de recherche sur les matériaux et l’ingénierie de Columbia sur les matériaux quantiques assemblés avec précision.

Delor s’intéresse au contrôle et à la manipulation du transport d’énergie à travers les superatomes et d’autres matériaux uniques développés à Columbia. Pour ce faire, l’équipe construit des outils d’imagerie à super-résolution capables de capturer des particules se déplaçant à des échelles ultra-petites et ultra-rapides.

Quand Tulyag a amené Re pour la première fois₆Se₈Cl₂ Dans le laboratoire, il ne s’agissait pas de rechercher un nouveau semi-conducteur amélioré, mais de tester la résolution des microscopes du laboratoire avec un matériau qui, en principe, n’aurait pas dû conduire grand-chose. “C’était le contraire de ce à quoi nous nous attendions”, a déclaré Delor. “Au lieu du mouvement lent auquel nous nous attendions, nous avons vu la chose la plus rapide que nous ayons jamais vue.”

Tulyag et ses pairs du groupe Delor ont passé les deux années suivantes à déterminer pourquoi Re₆Se₈Cl₂ a montré un comportement aussi remarquable, notamment en développant un microscope avancé avec une résolution spatiale et temporelle extrême, capable d’imager directement les polarons au fur et à mesure qu’ils se forment et se déplacent à travers le matériau. Chimiste théorique Petra Shih, titulaire d’un doctorat. étudiant travaillant dans le groupe de Timothy Berkelbach, a également développé un modèle de mécanique quantique qui explique les observations.

Les nouvelles quasiparticules sont rapides, mais, contre-intuitivement, elles atteignent cette vitesse en se faisant à leur propre rythme, un peu comme l’histoire de la tortue et du lièvre, a expliqué Delor. Ce qui fait du silicium un semi-conducteur recherché, c’est que les électrons peuvent le traverser très rapidement, mais comme le lièvre proverbial, ils rebondissent trop et ne parviennent finalement pas très loin, ni très vite.

Excitons en Ré₆Se₈Cl₂ sont comparativement très lents, mais c’est précisément parce qu’ils sont si lents qu’ils sont capables de rencontrer et de s’associer avec des phonons acoustiques tout aussi lents. Les quasiparticules qui en résultent sont « lourdes » et, comme la tortue, avancent lentement mais régulièrement. Sans être gênés par d’autres phonons en cours de route, les excitons-polarons acoustiques de Re₆Se₈Cl₂ en fin de compte, ils se déplacent plus rapidement que les électrons du silicium.

La recherche de semi-conducteurs se poursuit

Comme beaucoup de matériaux quantiques émergents explorés à Columbia, Re₆Se₈Cl₂ peuvent être pelés en feuilles très fines, une caractéristique qui signifie qu’ils peuvent potentiellement être combinés avec d’autres matériaux similaires dans la recherche de propriétés uniques supplémentaires. Concernant₆Se₈Cl₂ Cependant, il est peu probable qu’il soit un jour commercialisé : le premier élément de la molécule, le rhénium, est l’un des plus rares sur Terre et, par conséquent, extrêmement coûteux.

Mais avec la nouvelle théorie du groupe Berkelbach en main ainsi que la technique d’imagerie avancée développée par Tulyag et le groupe Delor pour suivre directement la formation et le mouvement des polarons, l’équipe est prête à voir s’il existe d’autres prétendants superatomiques. capable de battre Re₆Se₈Cl₂le record de vitesse.

“C’est le seul matériau dans lequel on a observé un transport soutenu d’excitons balistiques à température ambiante. Mais nous pouvons maintenant commencer à prédire quels autres matériaux pourraient être capables de ce comportement que nous n’avions tout simplement pas envisagé auparavant”, a déclaré Delor. “Il existe toute une famille de matériaux semi-conducteurs superatomiques et autres matériaux semi-conducteurs 2D dotés de propriétés favorables à la formation de polarons acoustiques.”