Cientistas transformam semicondutor comum em supercondutor
Durante décadas, os pesquisadores tentaram criar materiais semicondutores que também pudessem atuar como supercondutores – materiais capazes de transportar corrente elétrica sem resistência. Os semicondutores, que constituem a base dos modernos chips de computador e células solares, poderiam operar com muito mais rapidez e eficiência se também possuíssem capacidades de supercondução. No entanto, transformar materiais como o silício e o germânio em supercondutores continua a ser um grande desafio, em grande parte porque exige a manutenção de um arranjo atómico delicado que permite que os electrões se movam livremente.
Uma equipa global de cientistas conseguiu agora o que antes parecia fora de alcance. Em um novo estudo publicado em Nanotecnologia da Naturezaeles relatam a criação de uma forma de germânio que exibe supercondutividade. Isto significa que pode conduzir eletricidade com resistência zero, permitindo que as correntes elétricas circulem indefinidamente sem perder energia. Tal comportamento poderia aumentar drasticamente o desempenho de dispositivos eletrônicos e quânticos, ao mesmo tempo que reduzia o consumo de energia.
“Estabelecer a supercondutividade no germânio, que já é amplamente utilizado em chips de computador e fibras ópticas, pode potencialmente revolucionar dezenas de produtos de consumo e tecnologias industriais”, explica Javad Shabani, físico da Universidade de Nova Iorque e diretor do Centro de Física de Informação Quântica e do Instituto Quântico.
Peter Jacobson, físico da Universidade de Queensland, acrescenta que as descobertas poderão acelerar o progresso na construção de sistemas quânticos práticos. “Esses materiais poderiam sustentar futuros circuitos quânticos, sensores e eletrônica criogênica de baixa potência, todos os quais precisam de interfaces limpas entre regiões supercondutoras e semicondutoras”, diz ele. “O germânio já é um material robusto para tecnologias avançadas de semicondutores, portanto, ao mostrar que ele também pode se tornar supercondutor sob condições de crescimento controlado, há agora potencial para dispositivos quânticos escalonáveis e prontos para fundição.”
Como os semicondutores se tornam supercondutores
O germânio e o silício, ambos elementos do grupo IV com estruturas cristalinas semelhantes ao diamante, ocupam uma posição única entre os metais e os isolantes. Sua versatilidade e durabilidade os tornam fundamentais para a fabricação moderna. Para induzir a supercondutividade em tais elementos, os cientistas devem alterar cuidadosamente a sua estrutura atómica para aumentar o número de eletrões 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 gálio, um elemento mais macio comumente usado em eletrônica. Esta técnica, conhecida como “doping”, tem sido usada há muito tempo para modificar o comportamento elétrico de um semicondutor. Normalmente, altos níveis de gálio desestabilizam o cristal, impedindo a supercondutividade.
A equipe superou essa limitação usando métodos avançados de raios X para guiar um processo refinado que incentiva os átomos de gálio a ocupar o lugar dos átomos de germânio na rede cristalina. Embora esta substituição distorça ligeiramente o cristal, ela preserva a sua estabilidade geral e permite-lhe transportar corrente com resistência zero a 3,5 Kelvin (cerca de -453 graus Fahrenheit), confirmando que se tornou supercondutor.
Ferramentas de precisão desbloqueiam o controle atômico
“Em vez da implantação iônica, a epitaxia por feixe molecular foi usada para incorporar com precisão átomos de gálio na estrutura cristalina do germânio”, diz Julian Steele, físico da Universidade de Queensland e coautor do estudo. “Usar a epitaxia – o crescimento de finas camadas de cristal – significa que podemos finalmente alcançar a precisão estrutural necessária para compreender e controlar como a supercondutividade surge nestes materiais.”
Como observa Shabani, “Isso funciona porque os elementos do grupo IV não superconduzem naturalmente em condições normais, mas a modificação de sua estrutura cristalina permite a formação de pares de elétrons que permitem 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 marca um passo fundamental para a integração do comportamento supercondutor nos próprios materiais que impulsionam a electrónica de hoje, potencialmente remodelando o panorama da computação e da tecnologia quântica.
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