La ricerca incessante di materiali più efficienti e veloci per la tecnologia dei semiconduttori ha portato a una scoperta rivoluzionaria presso l’Università di Columbia. Gli scienziati hanno sviluppato un semiconduttore superatomico, Re6Se8Cl2, che supera il silicio in termini di velocità ed efficienza, aprendo nuove strade per l’esplorazione di materiali inediti nel campo della tecnologia dei semiconduttori.
La scoperta di Re6Se8Cl2
Un semiconduttore superatomico
Un gruppo di chimici dell’Università di Columbia, guidato dal dottorando Jack Tulyag, sotto la supervisione del professore di chimica Milan Delor, ha descritto in un articolo su Science il semiconduttore più veloce ed efficiente mai osservato fino ad ora: un materiale superatomico chiamato Re6Se8Cl2.
Il comportamento balistico dei quasiparticelle
A differenza di altri semiconduttori, in cui gli eccitoni si disperdono a contatto con i fononi, nel Re6Se8Cl2 gli eccitoni si legano ai fononi per creare nuove quasiparticelle chiamate ecciton-polaroni acustici. Queste particelle speciali sono capaci di un flusso balistico, ovvero senza dispersione, che potrebbe tradursi in dispositivi più veloci e più efficienti in futuro.
Velocità e durata dei quasiparticelle
Negli esperimenti condotti dal team, gli ecciton-polaroni acustici in Re6Se8Cl2 si sono mossi rapidamente, con una velocità doppia rispetto agli elettroni nel silicio, attraversando diversi micron del campione in meno di un nanosecondo. Considerando che i polaroni possono durare circa 11 nanosecondi, si stima che gli ecciton-polaroni potrebbero coprire più di 25 micrometri alla volta.
Controllo tramite luce e velocità di elaborazione
Un aspetto innovativo di questi quasiparticelle è che sono controllati dalla luce piuttosto che da una corrente elettrica, il che potrebbe portare a velocità di elaborazione teoriche nell’ordine dei femtosecondi, molto più rapide rispetto ai nanosecondi attuali dell’elettronica a Gigahertz.
Il potenziale impatto e le ricerche future
Un confronto con la favola della tartaruga e la lepre
Il Re6Se8Cl2 è stato paragonato alla favola della tartaruga e della lepre: sebbene gli eccitoni in questo materiale siano relativamente lenti, proprio questa lentezza permette loro di accoppiarsi con fononi acustici altrettanto lenti, dando origine a quasiparticelle “pesanti” che avanzano in modo costante e senza ostacoli, superando in velocità gli elettroni nel silicio.
La ricerca continua
Nonostante le sue promettenti caratteristiche, è improbabile che il Re6Se8Cl2 possa essere utilizzato in prodotti commerciali a causa della rarità e del costo elevato del renio, il primo elemento della molecola. Tuttavia, con la nuova teoria sviluppata dal gruppo di Berkelbach e la tecnica di imaging avanzata sviluppata dal gruppo di Delor per tracciare direttamente la formazione e il movimento dei polaroni, il team è pronto a cercare altri materiali superatomici che possano superare il record di velocità del Re6Se8Cl2.
Una famiglia di materiali con proprietà favorevoli
Delor ha affermato che esiste una vasta famiglia di materiali superatomici e semiconduttori bidimensionali con proprietà favorevoli per la formazione di polaroni acustici, e la ricerca è solo all’inizio per scoprire quali altri materiali possano manifestare comportamenti simili a quelli osservati nel Re6Se8Cl2.
La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation e dall’Air Force Office of Scientific Research.
