Cientistas transformam um semicondutor comum em um supercondutor
Durante décadas, os pesquisadores tentaram criar materiais semicondutores que também pudessem atuar como supercondutores – materiais capazes de transportar eletricidade sem resistência. Os semicondutores, que constituem a base dos modernos chips de computador e células solares, podem operar com muito mais rapidez e eficiência se tiverem capacidades de supercondução. No entanto, transformar materiais como o silício e o germânio em supercondutores continua a ser um grande desafio, uma vez que devem manter uma estrutura atómica delicada que permita que os electrões se movam livremente.
Uma equipa global de cientistas conseguiu agora o que antes parecia inatingível. Um novo estudo publicado em Nanotecnologia da NaturezaEles relatam a criação de uma forma de germânio que exibe supercondutividade. Isto significa que ele pode conduzir eletricidade através de resistência zero, permitindo que as correntes circulem indefinidamente sem perder energia. Tal comportamento pode aumentar drasticamente o desempenho de dispositivos eletrônicos e quânticos, ao mesmo tempo que reduz o consumo de energia.
“Estabelecer a supercondutividade no germânio, que já é amplamente utilizado em chips de computador e fibras ópticas, poderia revolucionar muitos produtos de consumo e tecnologias industriais”, explica Jawad Shabani, físico da Universidade de Nova Iorque e diretor do Centro de Física de Informação Quântica e do Instituto Quantum.
O físico Peter Jacobson, da Universidade de Queensland, diz que as descobertas podem acelerar o progresso na criação de sistemas quânticos práticos. “Esses materiais podem suportar futuros circuitos quânticos, sensores e eletrônica criogênica de baixa potência, todos os quais requerem interfaces limpas entre regiões supercondutoras e semicondutoras”, diz ele. “O germânio já é um material de trabalho para tecnologias avançadas de semicondutores, portanto, mostrar que ele pode se tornar supercondutor sob condições de crescimento controlado abre agora o potencial para dispositivos quânticos escalonáveis e prontos para fundição.”
Como os semicondutores se tornam supercondutores
Os elementos do grupo IV com estruturas cristalinas como o germânio e o silício, o diamante, ocupam uma posição única entre os metais e condutores. 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 muito difícil de ajustar no nível atômico.
No novo estudo, os pesquisadores criaram filmes de germânio fortemente dopados com gálio, um elemento macio comumente usado em eletrônica. Esta técnica, chamada “doping”, tem sido usada há muito tempo para modificar o comportamento elétrico de semicondutores. Em geral, grandes quantidades de gálio perturbam o cristal e impedem 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 deforme ligeiramente o cristal, ela preserva sua estabilidade geral e permite que a corrente flua com resistência zero a 3,5 Kelvin (cerca de -453 graus Fahrenheit), confirmando que é supercondutor.
Ferramentas de precisão desbloqueiam o controle atômico
“Em vez da implantação iônica, a epitaxia por feixe molecular foi usada para anexar com precisão os átomos de gálio à estrutura cristalina do germânio”, disse Julian Steele, físico da Universidade de Queensland e coautor do estudo. “Usando epitaxia – crescimento de finas camadas de cristal – podemos finalmente alcançar a precisão estrutural necessária para compreender e controlar como a supercondutividade se manifesta nesses materiais.”
Como aponta Shabani, “Isso funciona porque os elementos do grupo IV não superconduzem naturalmente no estado normal, mas modificar sua estrutura cristalina ajuda a criar pares de elétrons que permitem a supercondutividade”.
O estudo envolveu pesquisadores da ETH Zurich e da Ohio State University e foi parcialmente apoiado pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA (FA9550-21-1-0338). Este esforço internacional representa um passo importante para a integração do comportamento supercondutor com os materiais que alimentam a electrónica actual, mudando potencialmente o panorama da computação e da tecnologia quântica.
