Por décadas, pesquisadores têm tentado 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 e células solares modernos, 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 permanecido um grande desafio, principalmente porque requer a manutenção de uma delicada disposição atômica que permita que os elétrons se movam livremente.
Uma equipe global de cientistas agora alcançou o que antes parecia inatingível. Em um novo estudo publicado na Nature Nanotechnology, eles relatam ter criado uma forma de germânio que exibe superconductividade. Isso significa que ele pode conduzir eletricidade com resistência zero, permitindo que correntes elétricas circulem incessantemente sem perder energia. Tal comportamento poderia aumentar drasticamente o desempenho de dispositivos eletrônicos e quânticos, além de reduzir o consumo de energia.
“Estabelecer a superconductividade no germânio, que já é amplamente utilizado em chips de computador e fibras ópticas, pode potencialmente revolucionar uma infinidade de produtos de consumo e tecnologias industriais”, explica Javad Shabani, físico da Universidade de Nova York e diretor do Centro de Física da Informação Quântica e do Instituto Quântico.
Peter Jacobson, 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 eletrônicas criogênicas de baixo consumo, todos os quais precisam de interfaces limpas entre regiões supercondutoras e semicondutoras”, diz ele. “O germânio já é um material de trabalho para tecnologias semicondutoras avançadas, então ao mostrar que ele também pode se tornar supercondutor sob condições de crescimento controladas, agora existe potencial para dispositivos quânticos escaláveis e prontos para a manufatura.”
Como 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 fazem deles essenciais na fabricação moderna. Para induzir a superconductividade em tais elementos, os cientistas devem alterar cuidadosamente sua estrutura atômica para aumentar o número de elétrons disponíveis para condução. Esses elétrons então se emparelham e se movem pelo material sem resistência — um processo que é notoriamente difícil de ajustar em escala atômica.
No novo estudo, os pesquisadores desenvolveram filmes de germânio fortemente infundidos com gálio, um elemento mais macio comumente utilizado em eletrônicos. Essa 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 superconductividade.
A equipe superou essa limitação usando métodos avançados de raios-X para orientar um processo refinado que incentiva os átomos de gálio a ocupar o lugar dos átomos de germânio na rede cristalina. Embora essa substituição distorça ligeiramente o cristal, ela preserva sua 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, foi utilizada a epitaxia de feixe molecular para incorporar com precisão os átomos de gálio na rede cristalina do germânio”, diz Julian Steele, físico da Universidade de Queensland e coautor do estudo. “Usar epitaxia — crescer camadas cristalinas finas — significa que finalmente podemos alcançar a precisão estrutural necessária para entender e controlar como a superconductividade emerge nesses materiais.”
Como Shabani observa, “isso funciona porque elementos do grupo IV não supercondutam naturalmente em condições normais, mas modificar sua estrutura cristalina permite a formação de emparelhamentos eletrônicos que possibilitam a superconductividade.”
O estudo também envolveu pesquisadores da ETH Zurich e da Universidade Estadual de Ohio e recebeu apoio parcial do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA (FA9550-21-1-0338). Esse esforço internacional marca um passo importante em direção à integração do comportamento supercondutor nos próprios materiais que impulsionam a eletrônica atual, potencialmente remodelando o cenário da computação e da tecnologia quântica.