Um semicondutor superatômico estabelece um recorde de velocidade

Os semicondutores – principalmente o silício – sustentam os computadores, celulares e outros dispositivos eletrônicos que alimentam nossas vidas diárias, incluindo o dispositivo no qual você está lendo este artigo. Por mais onipresentes que os semicondutores tenham se tornado, eles apresentam limitações. A estrutura atômica de qualquer material vibra, o que cria partículas quânticas chamadas fônons. Os fônons, por sua vez, fazem com que as partículas – elétrons ou pares elétron-buraco chamados excitons – que transportam energia e informações em torno de dispositivos eletrônicos se espalhem em questão de nanômetros e femtossegundos. Isto significa que a energia se perde sob a forma de calor e que a transferência de informação tem um limite de velocidade.

A busca por melhores opções continua. Escrevendo em Ciênciauma equipe de químicos da Universidade de Columbia liderada por Jack Tulyag, um estudante de doutorado que trabalha com o professor de química Milan Delor, descreve o semicondutor mais rápido e eficiente até agora: um material superatômico chamado Re₆Se₈Cl₂.

Em vez de se espalharem quando entram em contato com fônons, os excitons em Re₆Se₈Cl₂ na verdade, ligam-se aos fônons para criar novas quasipartículas chamadas exciton-polarons acústicos. Embora os polarons sejam encontrados em muitos materiais, aqueles em Re₆Se₈Cl₂ têm uma propriedade especial: são capazes de fluxo balístico ou livre de dispersão. Esse comportamento balístico pode significar um dia dispositivos mais rápidos e eficientes.

Em experimentos realizados pela equipe, excitons-polarons acústicos em Re₆Se₈Cl₂ moveu-se rapidamente – duas vezes mais rápido que os elétrons no silício – e atravessou vários mícrons da amostra em menos de um nanossegundo. Dado que os polarons podem durar cerca de 11 nanossegundos, a equipe acredita que os polarons excitons poderiam cobrir mais de 25 micrômetros por vez. E como essas quasipartículas são controladas pela luz e não por uma corrente elétrica e por portas, as velocidades de processamento em dispositivos teóricos têm o potencial de atingir femtossegundos – seis ordens de magnitude mais rápidas do que os nanossegundos alcançáveis ​​na atual eletrônica Gigahertz. Tudo em temperatura ambiente.

“Em termos de transporte de energia, Re₆Se₈Cl₂ é o melhor semicondutor que conhecemos, pelo menos até agora”, disse Delor.

Uma versão quântica da tartaruga e da lebre

Ré₆Se₈Cl₂ é um semicondutor superatômico criado no laboratório do colaborador Xavier Roy. Superátomos são aglomerados de átomos unidos que se comportam como um grande átomo, mas com propriedades diferentes das dos elementos usados ​​para construí-los. A síntese de superátomos é uma especialidade do laboratório Roy, e eles são o foco principal do Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais em Materiais Quânticos Montados com Precisão, financiado pela NSF. Delor está interessado em controlar e manipular o transporte de energia através de superátomos e outros materiais exclusivos desenvolvidos em Columbia. Para fazer isso, a equipe constrói ferramentas de imagem de super-resolução que podem capturar partículas que se movem em escalas ultrapequenas e ultrarrápidas.

Quando Tulyag trouxe Re pela primeira vez₆Se₈Cl₂ Ao entrar no laboratório, não foi para procurar um semicondutor novo e melhorado – foi para testar a resolução dos microscópios do laboratório com um material que, em princípio, não deveria ter conduzido muita coisa. “Foi o oposto do que esperávamos”, disse Delor. “Em vez do movimento lento que esperávamos, vimos a coisa mais rápida que já vimos.”

Tulyag e seus colegas do grupo Delor passaram os dois anos seguintes trabalhando para identificar por que Re₆Se₈Cl₂ mostraram um comportamento tão notável, incluindo o desenvolvimento de um microscópio avançado com resolução espacial e temporal extrema que pode gerar imagens diretas de polarons à medida que eles se formam e se movem através do material. A química teórica Petra Shih, estudante de doutorado que trabalha no grupo de Timothy Berkelbach, também desenvolveu um modelo de mecânica quântica que fornece uma explicação para as observações.

As novas quasipartículas são rápidas, mas, de forma contraintuitiva, alcançam essa velocidade ao andarem de um lado para o outro – um pouco como a história da tartaruga e da lebre, explicou Delor. O que torna o silício um semicondutor desejável é que os elétrons pode movem-se muito rapidamente, mas como a proverbial lebre, eles saltam muito e não chegam muito longe, muito rápido no final. Éxcitons em Re₆Se₈Cl₂ são, comparativamente, muito lentos, mas é precisamente porque são tão lentos que são capazes de se encontrar e emparelhar com fônons acústicos igualmente lentos. As quasipartículas resultantes são “pesadas” e, como a tartaruga, avançam lenta mas continuamente. Desimpedidos por outros fônons ao longo do caminho, excitons-polarons acústicos em Re₆Se₈Cl₂ em última análise, movem-se mais rápido que os elétrons no silício.

A busca por semicondutores continua

Como muitos dos materiais quânticos emergentes que estão sendo explorados em Columbia, Re₆Se₈Cl₂ podem ser descascados em folhas da espessura de um átomo, uma característica que significa que podem ser potencialmente combinados com outros materiais semelhantes na busca por propriedades exclusivas adicionais. Ré₆Se₈Cl_2, no entanto, é improvável que algum dia chegue a um produto comercial – o primeiro elemento da molécula, o rênio, é um dos mais raros do planeta e, como resultado, extremamente caro.

Mas com a nova teoria do grupo de Berkelbach em mãos, juntamente com a técnica avançada de imagem que Tulyag e o grupo de Delor desenvolveram para rastrear diretamente a formação e o movimento dos polarons, a equipe está pronta para ver se existem outros contendores superatômicos. capaz de vencer Re₆Se₈Cl_2′recorde de velocidade.

“Este é o único material em que alguém viu o transporte sustentado de excitons balísticos à temperatura ambiente. Mas agora podemos começar a prever quais outros materiais podem ser capazes deste comportamento que simplesmente não consideramos antes”, disse Delor. “Existe toda uma família de materiais semicondutores superatômicos e outros 2D com propriedades favoráveis ​​para a formação de polarons acústicos.”