⚛️ Gran avance: utilizado en toda la electrónica, el germanio se vuelve superconductor
Los semiconductores como el germanio y el silicio son elementos fundamentales de nuestro día a día tecnológico, presentes en los chips informáticos y las fibras ópticas. Su estructura cristalina particular, similar a la del diamante, les confiere propiedades electrónicas intermedias entre los metales y los aislantes. Esta versatilidad los convierte en materiales de elección para la industria electrónica, pero lograr que alcancen el estado superconductor requiere modificaciones estructurales a nivel atómico.
Estructuras de uniones Josephson utilizando diferentes formas de germanio: super-Ge (en dorado), Ge semiconductor (en azul) y super-Ge. El recuadro muestra la forma cristalina del Super-Ge.
Crédito: Patrick Strohbeen / NYU
El equipo internacional ha desarrollado un enfoque innovador utilizando una técnica de crecimiento cristalino de alta precisión. Este método permite incorporar átomos de galio en la red cristalina del germanio a concentraciones excepcionalmente elevadas. A diferencia de los métodos tradicionales de dopado que a menudo conducen a una inestabilidad estructural, este enfoque mantiene la integridad del cristal mientras induce la superconductividad.
El proceso resulta en una deformación controlada de la estructura cristalina que permite a los electrones formar pares y desplazarse sin ninguna resistencia eléctrica. Esta superconductividad se manifiesta a una temperatura de 3,5 Kelvin, es decir, aproximadamente -269 grados Celsius. La estabilidad estructural obtenida permite considerar aplicaciones industriales a gran escala, particularmente en la fabricación de circuitos cuánticos.
Dado que el germanio ya es un material bien dominado en la industria de los semiconductores, este avance podría facilitar la integración de componentes superconductores en las tecnologías existentes sin requerir una revisión completa de los procesos de fabricación.
Esta investigación demuestra cómo la modificación precisa de las estructuras cristalinas puede revelar nuevas propiedades físicas en materiales no obstante bien conocidos. Los científicos planean ahora explorar otras combinaciones de elementos y perfeccionar las técnicas de crecimiento para alcanzar temperaturas de superconductividad más elevadas, lo que ampliaría considerablemente el campo de las aplicaciones prácticas.
La superconductividad explicada
La superconductividad es un estado cuántico particular donde ciertos materiales conducen la electricidad sin ninguna resistencia. Este fenómeno se produce generalmente a temperaturas muy bajas y permite que la corriente eléctrica circule indefinidamente sin pérdida de energía.
En un conductor ordinario, los electrones se desplazan encontrando obstáculos en la red cristalina, lo que genera calor y una disipación de energía. En cambio, en un superconductor, los electrones forman pares llamados pares de Cooper que se desplazan de manera coordinada a través del material.
Estos pares de electrones interactúan con las vibraciones de la red cristalina (fonones) de una manera que les permite sortear todos los obstáculos potenciales. El resultado es un flujo eléctrico perfectamente eficiente que no encuentra ninguna oposición, como si los electrones se deslizaran sobre una superficie perfectamente lisa sin fricción.
La temperatura crítica es un parámetro ineludible: es la temperatura máxima por debajo de la cual el material se vuelve superconductor. Para la mayoría de los superconductores convencionales, esta temperatura es extremadamente baja, requiriendo un enfriamiento con helio líquido, lo que aún limita las aplicaciones prácticas.
El dopado de los semiconductores
El dopado es una técnica fundamental en ciencia de materiales que consiste en introducir deliberadamente átomos extraños en un cristal semiconductor para modificar sus propiedades eléctricas. Estos átomos añadidos, llamados impurezas, pueden ya sea proporcionar electrones adicionales, o crear 'huecos' donde faltan electrones.
En el caso del germanio dopado con galio, los átomos de galio reemplazan a algunos átomos de germanio en la red cristalina. El galio posee un electrón de valencia menos que el germanio, lo que crea 'huecos' de carga positiva en la estructura electrónica. Estos huecos pueden desplazarse y conducir la corriente eléctrica.
Cuando el dopado alcanza niveles muy elevados, se habla de hiperdopado. Esta concentración excepcional de átomos extraños modifica profundamente el comportamiento electrónico del material. En lugar de simplemente aumentar la conductividad, puede inducir transiciones de fase espectaculares, como el paso al estado superconductor.
La dificultad mayor reside en mantener la estabilidad estructural del cristal a pesar de la introducción masiva de átomos extraños. Las técnicas de epitaxia modernas permiten un control atómico preciso de este proceso, evitando el colapso de la estructura cristalina mientras permiten las modificaciones electrónicas deseadas.