Des chercheurs de l’Université de Columbia ont développé Re6Se8Cl2, un semi-conducteur superatomique qui surpasse le silicium en termes de vitesse et d’efficacité en formant des quasi-particules uniques. Cette découverte ouvre la voie à l’exploration de nouveaux matériaux dans la technologie des semi-conducteurs.
Des chimistes de Columbia découvrent un flux balistique dans un matériau quantique, une découverte qui pourrait aider à surmonter les lacunes des semi-conducteurs
Les semi-conducteurs, en particulier le silicium, sont essentiels au fonctionnement de divers appareils électroniques tels que les ordinateurs, les téléphones portables et l’appareil que vous utilisez actuellement. Malgré leur utilisation répandue, semi-conducteurs ont des contraintes inhérentes. La structure atomique de ces matériaux est soumise à des vibrations, entraînant la génération de particules quantiques appelées phonons. Ces phonons conduisent à la diffusion des particules – soit des électrons, soit des paires électron-trou appelées excitons – responsables du transport de l’énergie et de l’information dans les appareils électroniques. La diffusion se produit sur des distances extrêmement petites (nanomètres) et sur de brefs laps de temps (femtosecondes), provoquant une dissipation d’énergie sous forme de chaleur et imposant une limite à la vitesse de transfert d’informations.
La recherche de meilleures options est en cours. Écrire dans Scienceune équipe de chimistes de l’Université de Columbia dirigée par Jack Tulyag, doctorant 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, soit 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 amas d’atomes liés entre eux qui se comportent comme un seul grand 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 quantiques assemblés avec précision, financé par la NSF et financé par la NSF. 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. »
Ce qui fait du silicium un semi-conducteur recherché, c’est que les électrons peut se déplacent très rapidement, mais comme le lièvre proverbial, ils rebondissent trop et ne vont pas très loin, très vite au final. 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. Crédit : Jack Tulyag, Université de Columbia
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 théoricienne Petra Shih, doctorante travaillant dans le groupe de Timothy Berkelbach, a également développé un modèle de mécanique quantique qui fournit une explication des 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 peut se déplacent très rapidement, mais comme le lièvre proverbial, ils rebondissent trop et ne vont pas très loin, très vite au final. 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 Re6Se8Cl2′le 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. »
L’étude a été financée par la National Science Foundation et le Bureau de la recherche scientifique de l’Air Force.
