‚Superatomares‘ Material schlägt Silizium

Halbleiter sind die Grundlage für Strukturen von Transistoren bis zu Supercomputern. Forscher der Columbia University haben ein neues Halbleitermaterial identifiziert, das bekannte Halbleiter zu übertreffen scheint. Das Material mit der Bezeichnung Re6Se8Cl2 besteht aus einer Mischung aus Rhenium, Selen und Chlor, deren Atome Cluster bilden die sich wie ein einziges, großes Atom verhalten – ein ‚Superatom‘, das die Ursache für seine Schnelligkeit als Halbleiter ist. In jedem Material gibt dessen Atomstruktur winzige Schwingungen ab, die sich als spezielle Quantenpartikel (sogenannte Phononen), fortbewegen, die energiereiche Teilchen wie Elektronen oder Exzitonen streuen können. Diese Energie geht schnell in Form von Wärme verloren, eine permanente Herausforderung bei der Entwicklung elektronischer Schaltkreise und Systeme. Re6Se8Cl2 hat hier jedoch eine Sonderstellung. Seine Exzitonen streuen nicht, wenn sie von Phononen getroffen werden, sondern binden sich an diese und bilden so eine andere Form von Quasiteilchen: akustische Exzitonen-Polaronen. Diese können zwar immer noch Energie transportieren, bewegen sich aber viel langsamer als normale Exzitonen und das führt wider Erwarten zu höheren Geschwindigkeiten als in Silizium. Das Team vergleicht dieses Phänomen mit der alten Geschichte von der Schildkröte und dem Hasen. Elektronen können sich sehr schnell durch Silizium bewegen, aber sie neigen dazu, sich in alle Richtungen zu bewegen, was nicht der effizienteste Weg ist. Die Polaronen in Re6Se8Cl2 hingegen sind langsamer und werden nicht von anderen Phononen beeinflusst, so dass sie sich weiter und gleichmäßiger bewegen. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass sich die Polaronen in Re6Se8Cl2 im Endeffekt etwa doppelt so schnell fortbewegen wie Elektronen in Silizium. Da sie durch Licht statt durch Elektrizität gesteuert werden können, vermuten die Forscher, dass, falls theoretisch elektronische Geräte auf Basis dieses Materials hergestellt würden, diese um sechs Größenordnungen schneller sein könnten als heute existierende Geräte. In Bezug auf den Energietransport sei Re6Se8Cl2 der beste bis jetzt bekannte Halbleiter, so Milan Delor, einer der Autoren der Studie. In absehbarer Zeit ist jedoch nicht zu erwarten, dass das Material den Weg in die Elektronikindustrie findet. Im Gegenteil: das Team hält es für unwahrscheinlich, dass speziell dieses ‚Superatom‘-Cluster jemals auf den Markt kommen wird. Rhenium sei für Konsumgüter zu selten und zu teuer. Nachdem die Forscher jedoch das Konzept an sich bewiesen haben, sind sie davon überzeugt, dass ähnliche und hoffentlich billigere Materialien ein vergleichbares Verhalten zeigen könnten. Ihre Grundlagenforschung ebnet den Weg zur Untersuchung einer ganzen Reihe ‚superatomarer‘ Halbleiter-Materialien. Die Forschungsarbeit wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.