Durante décadas, os pesquisadores têm tentado criar materiais semicondutores que também possam atuar como supercondutores – materiais que podem transportar corrente elétrica sem resistência. Os semicondutores são a base dos modernos chips de computador e células solares e, se também tivessem capacidades de supercondutores, funcionariam com mais rapidez e eficiência. No entanto, transformar materiais como o silício e o germânio em supercondutores continua a ser um grande desafio, em grande parte porque requer 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 inatingível. Em um novo estudo publicado em nanotecnologia da naturezaeles relatam a criação de um tipo de germânio que exibe supercondutividade. Isto significa que pode conduzir eletricidade com resistência zero, permitindo que a corrente circule indefinidamente sem perder energia. Esse comportamento poderia melhorar muito o desempenho de dispositivos eletrônicos e quânticos, ao mesmo tempo que reduz o consumo de energia.
“O germânio já é amplamente utilizado em chips de computador e fibras ópticas, e o estabelecimento da supercondutividade poderia revolucionar muitos produtos de consumo e tecnologias industriais”, explica Javad Shabani, físico da Universidade de Nova York e diretor do Centro de Física de Informação Quântica e do Instituto de Pesquisa Quântica.
O físico da Universidade de Queensland, Peter Jacobson, acrescentou que as descobertas podem 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 regiões supercondutoras e semicondutoras”, disse ele. “O germânio já é um material robusto em tecnologia avançada de semicondutores, portanto, ao demonstrar que também 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 são elementos do Grupo IV com estruturas cristalinas semelhantes ao diamante, ocupando uma posição única entre os metais e os isolantes. Sua versatilidade e durabilidade os tornam fundamentais para a fabricação moderna. Para induzir a supercondutividade nestes 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 viajam através do material sem resistência – um processo que é notoriamente difícil de ajustar em escala atômica.
No novo estudo, os pesquisadores desenvolveram filmes de germânio ricos em gálio, um elemento mais macio comumente usado em eletrônica. Esta técnica, conhecida como “doping”, tem sido usada há muito tempo para alterar o comportamento elétrico de semicondutores. Normalmente, altos níveis de gálio desestabilizam o cristal, dificultando a supercondutividade.
A equipe superou essa limitação usando métodos avançados de raios X para guiar o delicado processo, incentivando os átomos de gálio a substituir os átomos de germânio na rede cristalina. Embora esta substituição tenha deformado ligeiramente o cristal, manteve a sua estabilidade geral e permitiu-lhe transportar corrente eléctrica com resistência zero a 3,5 Kelvin (cerca de -453 graus Fahrenheit), confirmando que se tornou um supercondutor.
Ferramentas de precisão desbloqueiam o controle atômico
“Em vez de usar a implantação iônica, a epitaxia por feixe molecular é usada para integrar com precisão os átomos de gálio na estrutura cristalina do germânio”, disse Julian Steele, físico da Universidade de Queensland e coautor do estudo. “Usar o crescimento epitaxial – crescimento de finas camadas de cristal – significa que podemos finalmente alcançar a precisão estrutural necessária para compreender e controlar como a supercondutividade surge nesses materiais.”
Como aponta Shabani, “Isso funciona porque os elementos do Grupo IV não superconduzem naturalmente em condições normais, mas a modificação de sua estrutura cristalina pode formar pares de elétrons que permitem a supercondutividade”.
O estudo também envolveu pesquisadores da ETH Zurich e da Ohio State University e foi apoiado em parte pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA (FA9550-21-1-0338). O 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 das tecnologias quânticas.
