⚛️ Grande descoberta: usado em toda a eletrônica, o germânio torna-se supercondutor
Os semicondutores como o germânio e o silício são elementos fundamentais do nosso cotidiano tecnológico, presentes nos chips de computador e fibras ópticas. Sua estrutura cristalina particular, semelhante à do diamante, lhes confere propriedades eletrônicas intermediárias entre os metais e os isolantes. Essa versatilidade os torna materiais de escolha para a indústria eletrônica, mas fazê-los atingir o estado supercondutor requer modificações estruturais em nível atômico.
Estruturas de junções Josephson usando diferentes formas de germânio: super-Ge (em ouro), Ge semicondutor (em azul) e super-Ge. O detalhe mostra a forma cristalina do Super-Ge.
Crédito: Patrick Strohbeen / NYU
A equipe internacional desenvolveu uma abordagem inovadora usando uma técnica de crescimento cristalino de alta precisão. Este método permite incorporar átomos de gálio na rede cristalina do germânio em concentrações excepcionalmente elevadas. Ao contrário dos métodos tradicionais de dopagem que frequentemente levam à instabilidade estrutural, esta abordagem mantém a integridade do cristal enquanto induz a supercondutividade.
O processo resulta numa deformação controlada da estrutura cristalina que permite aos elétrons formarem pares e se moverem sem qualquer resistência elétrica. Esta supercondutividade manifesta-se a uma temperatura de 3,5 Kelvin, ou aproximadamente -269 graus Celsius. A estabilidade estrutural obtida permite considerar aplicações industriais em grande escala, nomeadamente na fabricação de circuitos quânticos.
O germânio sendo já um material bem dominado na indústria de semicondutores, este avanço poderia facilitar a integração de componentes supercondutores nas tecnologias existentes sem necessitar de uma reformulação completa dos processos de fabricação.
Esta pesquisa demonstra como a modificação precisa das estruturas cristalinas pode revelar novas propriedades físicas em materiais bem conhecidos. Os cientistas planejam agora explorar outras combinações de elementos e aperfeiçoar as técnicas de crescimento para atingir temperaturas de supercondutividade mais elevadas, o que ampliaria consideravelmente o campo das aplicações práticas.
A supercondutividade explicada
A supercondutividade é um estado quântico particular onde alguns materiais conduzem eletricidade sem qualquer resistência. Este fenômeno ocorre geralmente a temperaturas muito baixas e permite que a corrente elétrica circule indefinidamente sem perda de energia.
Num condutor comum, os elétrons movem-se encontrando obstáculos na rede cristalina, o que gera calor e dissipação de energia. Em contraste, num supercondutor, os elétrons formam pares chamados pares de Cooper que se movem de maneira coordenada através do material.
Estes pares de elétrons interagem com as vibrações da rede cristalina (fónons) de uma forma que lhes permite contornar todos os obstáculos potenciais. O resultado é um fluxo elétrico perfeitamente eficiente que não encontra qualquer oposição, como se os elétrons deslizassem sobre uma superfície perfeitamente lisa sem atrito.
A temperatura crítica é um parâmetro incontornável: é a temperatura máxima abaixo da qual o material se torna supercondutor. Para a maioria dos supercondutores convencionais, esta temperatura é extremamente baixa, necessitando de arrefecimento com hélio líquido, o que ainda limita as aplicações práticas.
A dopagem dos semicondutores
A dopagem é uma técnica fundamental em ciência dos materiais que consiste em introduzir deliberadamente átomos estranhos num cristal semicondutor para modificar suas propriedades elétricas. Estes átomos adicionados, chamados impurezas, podem fornecer elétrons adicionais ou criar 'buracos' onde faltam elétrons.
No caso do germânio dopado com gálio, os átomos de gálio substituem alguns átomos de germânio na rede cristalina. O gálio possui um elétron de valência a menos que o germânio, o que cria 'buracos' de carga positiva na estrutura eletrônica. Estes buracos podem mover-se e conduzir a corrente elétrica.
Quando a dopagem atinge níveis muito elevados, fala-se de hiperdopagem. Esta concentração excepcional de átomos estranhos modifica profundamente o comportamento eletrônico do material. Em vez de simplesmente aumentar a condutividade, pode induzir transições de fase espetaculares, como a passagem ao estado supercondutor.
A dificuldade maior reside na manutenção da estabilidade estrutural do cristal apesar da introdução massiva de átomos estranhos. As técnicas de epitaxia modernas permitem um controle atômico preciso deste processo, evitando o colapso da estrutura cristalina enquanto permitem as modificações eletrônicas desejadas.