Základním stavebním materiálem dnešní elektroniky zůstávají polovodiče. Právě z nich se skládají tranzistory a integrované obvody a z těch se zase montují chytré telefony i superpočítače. Pokud jde o výrobu samotných polovodičů, tam stále kraluje křemík. Nový výzkum odborníků americké Columbia University by to ale mohl změnit.
Vedoucí výzkumného týmu Milan Delor a jeho kolegové objevili nový polovodičový materiál, který, jak se zdá, předčí všechny ostatní. Jde o mix rhenia, selenu a chloru Re6Se8Cl2, jehož atomy se shlukují a chovají se jako jeden masivní atom, čili superatom. Pokud jde o přenos energie, je tento polovodič nejlepší na světě.
Atomová struktura jakéhokoliv materiálu vytváří nepatrné vibrace, které se pak pohybují jako kvantové částice zvané fonony. Na fononech se mohou rozptylovat částice přenášející energii, jako jsou elektrony nebo excitony. Tato energie se ztrácí v podobě tepla a její zvládnutí je významnou překážkou při navrhování elektronických systémů
Superatomový materiál má ale po ruce trik. Jeho excitony se po srážce s fonony nerozptylují, ale navazují se na ně, čímž vzniká jin typ kvazičástice, akustický exciton, čili polaron. Stále mohou nést energii, ale pohybují se mnohem pomaleji, než klasické excitony. Výsledkem je poněkud paradoxně „rychlejší“ polovodič.
Delor a spol. to přirovnají k bajce o zajíci a želvě. Elektrony v křemíku se pohybují velmi rychle, ale všude se tam odrážejí, což není úplně efektivní způsob pohybu. Polarony v materiálu z rhenia, selenu a chlóru jsou sice pomalejší, ale pohybují se více konzistentně.
Výsledkem podle badatelů je, že se polarony v novém materiálu pohybují dvakrát rychleji než elektrony v křemíku. Vzhledem k tomu, že polaronové systémy lze ovládat světlem, Delor s kolegy odhadují, že elektronická zařízení z takového materiálu by mohla být v celkovém úhrnu asi o 6 řádů rychlejší než dnešní elektronika.
Pokud jste se nažhavili na bleskurychlé procesory, budete si ještě muset počkat. Uvedená receptura není příliš praktická, především kvůli rheniu. Je příliš vzácné a drahé na to, aby se mohlo objevit v masově vyráběné elektronice. Delorův tým ale prokázal, že takový koncept se superatomem jako polovodič funguje, a to je dobrý základ. Teď budou hledat podobné materiály, které by byly podstatně levnější a přitom by stále vytvářely polarony. Nechme se překvapit.
Literatura
Novou exotickou formu hmoty tvoří atomy uvnitř atomů
Autor: Stanislav Mihulka (27.02.2018)
Lasery by mohly milionkrát zrychlit polovodičové počítače
Autor: Stanislav Mihulka (17.05.2018)
Kvazičástice v kvantových systémech mohou být prakticky nesmrtelné
Autor: Stanislav Mihulka (21.06.2019)
Diskuze:
No neviem
Macko Pu1,2023-11-02 09:51:24
Fonony, excitony , polarony. Je k tomu niekde prednaska kde sa da pochopit co su to za castice/ vlny? Stabilne poznam elektron, proton a neutron.
Re: No neviem
Daniel Slovák,2023-11-02 22:40:19
Iste . Skúste Charles Kittel: Úvod do fyziky pevných látek alebo Ján Celý :Kvázičástice v pevných látkach. Ale je to na dlhšie než 1 prednáška .
Re: No neviem
Jirka Naxera,2023-11-03 03:05:49
Jestli znate "diru" v polovodici z elektroniky? Tedy kladnou pseudocastici, tak asi koncept tak nejak trochu chapete.
Co se tolik ve vyuce elektroniky obvykle uz nerika je to, ze podobne "zjevy" v materialu je mozne popsat stejnymi rovnicemi, jakymi by se popisovala skutecna castice (takze veskery aparat kvantove teorie pole, vlnova funkce, ...), a ma tedy i pseudo-vlastnosti jako spin, hmotnost, naboj...
Fonon je pseudocastice "zvuku" - kdyz mate material o kladne teplote, tak atomy v krystalove mrizce nejak vibruji (pricemz ty vibrace jsou kvantizovane) etc. a samozrejme to vzajemne interaguje, predavaji si energii a tak. A kdyz je to dost chladne (takze se z toho nestane proste tepelny sum), tak to predavani si energie je taky kvantovane, a pseudocastici je prave onen fonon.
Polaron podobne az na pohyb elektronu v dielektriku https://en.wikipedia.org/wiki/Polaron
Exciton treba tu https://en.wikipedia.org/wiki/Exciton
Ale jak psal predrecnik, je k tomu potreba teorie pod tim, pak to teprve zacne davat smysl, tohle je jen velmi hruby a nepresny nastrel "vo co go".
Re: Re: No neviem
Jirka Naxera,2023-11-03 03:08:57
jeste doplnim - kdyz je ten material horky (normalni teplota), tak v tom samozrejme moc kvantovych jevu nenajdete, pak se to chova podle (klasickych) rovnic vedeni tepla.
Analogie se svetlem je tu zcela na miste - ze se svetlo sklada z fotonu zjistite teprve tehdy, kdyz jich dopada jen velmi malo.
Re: Re: Re: No neviem
Marek Fucila,2023-11-05 02:46:33
Mne ako laikovi dlho vrta v hlave dalsia analogia. Castice vs. kvapky vody.
Napriklad svetelny luc alebo elektricky prud by boli ako masa alebo prud vody, fotony alebo elektrony ako kvapky vody.
Keby sme nepoznali atomy a molekuly, mohlo by sa nam zdat, ze voda sa sklada z kvapiek. Lenze to tak nie je. Kvapky nie su zakladne castice vody, a predpokladam, ze sa spravaju dost neurcito, ak by sme sa rozhodli postavit teoriu vody zlozenej z tychto kvazicastic. Napriklad ak by som tesne nad rozvlnenu hladinu vody umiestnil pijavy papier, tak mozem vypracovat kvantovu teoriu kvapiek, kde sa da statisticky podla energie rozburenej vody urcit ako casto sa hladina dotkne paiera, a kolko kvapiek z vody uniklo. Mozno by sa dal myslienkovy experiment rozvinut do podoby, kedy by bolo mozne bud urcit rychlost narazu kvapiek alebo ich polohy, ale nikdy nie naraz. Podla toho, ako navrhnem experiment, tak sa mi tie kvapky budu spravat. Niekto vraj aj dvojstrbinovy experiment nasimuloval s vodou.
Chapem to tak, ze v kvantovej mechanike je napriklad elektron na orbite "uvaznena" stojata vlna. Ale pokial experimentom (alebo fyzikalnym javom) elektron nevytvorime (napriklad ho nevytrhneme z vodica), tak on samostane neexistuje.
Nemoze to byt tak, ze aj zakladne kvantove castice su sumou niecoho este na nizsej urovni? A ze teda aj realne castice su z vlastne kvazi castice, len s tym, ze ich dokazeme samostatne pozorovat? Pritom to pozorovanie je obmedzene nasimi nastrojmi (tymi casticami) a tak analogicky skumame vlastnosti vody len sklenenou pipetou?
Podla AI (kto uz by dnes googlil:-)), sa v teorii strun elektron tiez povazuje za fundamentalnu casticu, a v teorii konstantnych kvarkov by bol zlozeny z kvarku a antikvarku. Ale zrejme nie je ziadna rozumna teoria, kde by sa pracovalo s tym, ze elektron ci foton su "oblkom" niecoho hlbsieho. Mozno Occamova britva to cele odpili. Ale nebolo by mozne, ze vsetky podivnosti kvantoveho sveta (alebo vacsina :-)) su prave preto, ze existuje hlbsia vrstva, ktora az tak podivna byt nemusi (Murphy by povedal, ze ta bude este podivnejsia:-)).
Som zvedavy, kam sa dopracuje Wolframov tim, s jeho opacnym pristupom. Zacat simulaciu uplne dole. On vyzera byt presvedceny o tom, ze ta zakladna struktura lezi hlboko pod urovnou nami pozorovatelnych castic.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
