Pesquisadores transformam semicondutor comum em supercondutor
Por décadas, pesquisadores tentaram criar materiais semicondutores que também possam atuar como supercondutores — materiais capazes de conduzir corrente elétrica sem resistência. Os semicondutores, que formam a base dos chips de computador modernos e das células solares, poderiam operar de forma muito mais rápida e eficiente se também possuíssem habilidades supercondutoras. No entanto, transformar materiais…
Por décadas, pesquisadores tentaram criar materiais semicondutores que também possam atuar como supercondutores — materiais capazes de conduzir corrente elétrica sem resistência. Os semicondutores, que formam a base dos chips de computador modernos e das células solares, poderiam operar de forma muito mais rápida e eficiente se também possuíssem habilidades supercondutoras. No entanto, transformar materiais como silício e germânio em supercondutores tem se mostrado um grande desafio, em grande parte porque isso exige a manutenção de uma delicada arrumação atômica que permite que os elétrons se movimentem livremente.
Uma equipe global de cientistas agora alcançou o que antes parecia fora de alcance. Em um novo estudo publicado na Nature Nanotechnology, eles relatam a criação de uma forma de germânio que exibe supercondutividade. Isso significa que ele pode conduzir eletricidade com resistência zero, permitindo que correntes elétricas circulem indefinidamente sem perder energia. Esse comportamento poderia aumentar dramaticamente o desempenho de dispositivos eletrônicos e quânticos, reduzindo o consumo de energia.
“Estabelecer supercondutividade no germânio, que já é amplamente utilizado em chips de computador e fibras ópticas, pode potencialmente revolucionar inúmeras produtos de consumo e tecnologias industriais”, explica Javad Shabani, um físico da Universidade de Nova York e diretor do seu Centro de Física da Informação Quântica e Instituto Quântico.
Peter Jacobson, um físico da Universidade de Queensland, acrescenta que as descobertas podem acelerar o progresso na construção de sistemas quânticos práticos. “Esses materiais poderiam fundamentar futuros circuitos quânticos, sensores e eletrônicos criogênicos de baixo consumo, todos os quais precisam de interfaces limpas entre regiões supercondutoras e semicondutoras”, diz ele. “O germânio já é um material confiável para tecnologias semicondutoras avançadas, então, ao mostrar que também pode se tornar supercondutor sob condições de crescimento controladas, há agora potencial para dispositivos quânticos escaláveis e prontos para fabricação.”
Como os Semicondutores Se Tornam Supercondutores
Germânio e silício, ambos elementos do grupo IV com estruturas cristalinas semelhantes ao diamante, ocupam uma posição única entre metais e isolantes. Sua versatilidade e durabilidade os tornam centrais para a fabricação moderna. Para induzir a supercondutividade em tais elementos, os cientistas precisam alterar cuidadosamente sua estrutura atômica para aumentar o número de elétrons disponíveis para condução. Esses elétrons então se emparelham e se movem através do material sem resistência — um processo que é notoriamente difícil de ajustar na escala atômica.
No novo estudo, os pesquisadores desenvolveram filmes de germânio fortemente infundidos com galho, um elemento mais macio comumente usado em eletrônicos. Essa técnica, conhecida como “dopagem”, tem sido amplamente utilizada para modificar o comportamento elétrico de um semicondutor. Normalmente, altos níveis de galho desestabilizam o cristal, impedindo a supercondutividade.
A equipe superou essa limitação usando métodos avançados de raios-X para orientar um processo refinado que encoraja os átomos de galho a ocupar o lugar dos átomos de germânio na rede cristalina. Embora essa substituição distorça um pouco o cristal, ela preserva a estabilidade geral e permite que ele conduza corrente com resistência zero a 3,5 Kelvin (cerca de -453 graus Fahrenheit), confirmando que se tornou supercondutor.
Ferramentas de Precisão Liberam o Controle Atômico
“Em vez de implantação iônica, a epitaxia por feixe molecular foi usada para incorporar precisamente os átomos de galho na rede cristalina do germânio”, diz Julian Steele, um físico da Universidade de Queensland e coautor do estudo. “Usar epitaxia — crescer camadas finas de cristal — significa que finalmente podemos alcançar a precisão estrutural necessária para entender e controlar como a supercondutividade emerge nesses materiais.”
Como Shabani observa, “Isso funciona porque os elementos do grupo IV não supercondutam naturalmente em condições normais, mas modificar sua estrutura cristalina permite a formação de pares de elétrons que possibilitam a supercondutividade.”
O estudo também envolveu pesquisadores da ETH Zurich e da Ohio State University e recebeu apoio parcial do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA (FA9550-21-1-0338). Este esforço internacional representa um passo crucial em direção à integração do comportamento supercondutor nos próprios materiais que impulsionam a eletrônica atual, podendo alterar potencialmente o cenário da computação e da tecnologia quântica.
