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, podem operar de forma mais rápida e eficiente se possuírem 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 fino que permite que os electrões se movam livremente.
Uma equipa global de cientistas conseguiu agora o que antes parecia fora de alcance. Um novo estudo publicado em Nanotecnologia da NaturezaEles criam uma forma de germânio que exibe supercondutividade. Isso significa que ele pode conduzir eletricidade com resistência zero, permitindo que a corrente elétrica flua continuamente sem perder energia. Tal comportamento pode aumentar drasticamente o desempenho de dispositivos eletrônicos e quânticos, ao mesmo tempo que reduz o consumo de energia.
“Implementar a supercondutividade no germânio, que já é amplamente utilizado em chips de computador e fibras ópticas, poderia revolucionar potencialmente vários produtos de consumo e tecnologias industriais”, explicou Javad Shabani, físico da Universidade de Nova Iorque e diretor do Centro de Física de Informação Quântica e do Instituto Quantum.
Peter Jacobson, físico da Universidade de Queensland, acrescentou que as descobertas poderiam 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 exigem interfaces limpas entre as regiões supercondutoras e semicondutoras”, diz ele. “O germânio já é um material robusto para tecnologia avançada de semicondutores, portanto, mostrar que ele pode se tornar supercondutor sob condições de crescimento controladas agora tem 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 isolantes. Sua versatilidade e durabilidade os tornam fundamentais para a fabricação moderna. Para induzir a supercondutividade em tais materiais, 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 em escala atômica.
No novo estudo, os pesquisadores criaram filmes de germânio fortemente dopados com gálio, um material macio comumente usado em eletrônica. Esta técnica conhecida como “doping” tem sido usada há muito tempo para alterar o comportamento elétrico de semicondutores. Geralmente, altos níveis de gálio desestabilizam o cristal, impedindo a supercondutividade.
A equipe supera essa limitação usando métodos avançados de raios X para conduzir 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), garantindo que se torne supercondutor.
Controle atômico para desbloquear ferramentas de precisão
“Em vez da implantação iônica, a epitaxia por feixe molecular foi usada para incorporar com precisão átomos de gálio na estrutura cristalina do germânio”, disse Julian Steele, físico da Universidade de Queensland e coautor do estudo. “Usar epitaxia – camadas cristalinas cada vez mais finas – 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 alteração de sua estrutura cristalina permite que formem 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 materiais que alimentam a electrónica actual, potencialmente remodelando o panorama da computação e da tecnologia quântica.
