Durante décadas, los investigadores han intentado crear materiales semiconductores que también puedan actuar como superconductores: materiales capaces de transportar corriente eléctrica sin resistencia. Los semiconductores, que forman la base de los chips de computadora y las células solares modernas, pueden funcionar más rápido y más eficientemente si poseen capacidades superconductoras. Sin embargo, convertir materiales como el silicio y el germanio en superconductores sigue siendo un desafío importante, en gran parte porque requiere mantener una disposición atómica fina que permita a los electrones moverse libremente.
Un equipo global de científicos ha logrado lo que antes parecía fuera de su alcance. Un nuevo estudio publicado en Nanotecnología de la naturalezaCrean una forma de germanio que exhibe superconductividad. Esto significa que puede conducir electricidad con resistencia cero, permitiendo que la corriente eléctrica fluya continuamente sin perder energía. Este comportamiento puede aumentar drásticamente el rendimiento de los dispositivos electrónicos y cuánticos y, al mismo tiempo, reducir el consumo de energía.
“La implementación de la superconductividad en el germanio, que ya se utiliza ampliamente en chips de computadora y fibra óptica, podría potencialmente revolucionar numerosos productos de consumo y tecnologías industriales”, explicó Javad Shabani, físico de la Universidad de Nueva York y director del Centro de Física de la Información Cuántica y del Instituto Cuántico.
Peter Jacobson, físico de la Universidad de Queensland, añadió que los hallazgos podrían acelerar el progreso en la construcción de sistemas cuánticos prácticos. “Estos materiales podrían sustentar futuros circuitos cuánticos, sensores y electrónica criogénica de baja potencia, todos los cuales requieren interfaces limpias entre las regiones superconductoras y semiconductoras”, afirma. “El germanio ya es un material caballo de batalla para la tecnología avanzada de semiconductores, por lo que demostrar que puede convertirse en superconductor en condiciones de crecimiento controlado ahora tiene potencial para dispositivos cuánticos escalables y listos para fundición”.
Cómo los semiconductores se convierten en superconductores
El germanio y el silicio, ambos elementos del grupo IV con estructuras cristalinas similares a diamantes, ocupan una posición única entre los metales y aislantes. Su versatilidad y durabilidad los convierten en fundamentales para la fabricación moderna. Para inducir superconductividad en tales materiales, los científicos deben alterar cuidadosamente su estructura atómica para aumentar la cantidad de electrones disponibles para la conducción. Luego, estos electrones se emparejan y se mueven a través del material sin resistencia, un proceso que es notoriamente difícil de ajustar a escala atómica.
En el nuevo estudio, los investigadores crearon películas de germanio fuertemente dopadas con galio, un material blando comúnmente utilizado en electrónica. Esta técnica conocida como “dopaje” se utiliza desde hace mucho tiempo para cambiar el comportamiento eléctrico de los semiconductores. Generalmente, niveles elevados de galio desestabilizan el cristal, impidiendo la superconductividad.
El equipo supera esta limitación mediante el uso de métodos avanzados de rayos X para llevar a cabo un proceso refinado que estimula a los átomos de galio a ocupar el lugar de los átomos de germanio en la red cristalina. Aunque esta sustitución distorsiona ligeramente el cristal, preserva su estabilidad general y le permite transportar corriente con resistencia cero a 3,5 Kelvin (aproximadamente -453 grados Fahrenheit), asegurando que se vuelva superconductor.
Control atómico para desbloquear herramientas de precisión.
“En lugar de la implantación de iones, se utilizó epitaxia de haz molecular para incorporar con precisión átomos de galio en la red cristalina de germanio”, dijo Julian Steele, físico de la Universidad de Queensland y coautor del estudio. “El uso de epitaxia (capas cristalinas cada vez más delgadas) significa que finalmente podemos lograr la precisión estructural necesaria para comprender y controlar cómo surge la superconductividad en estos materiales”.
Como señala Shabani, “esto funciona porque los elementos del grupo IV no se superconducen naturalmente en condiciones normales, pero cambiar su estructura cristalina les permite formar pares de electrones que permiten la superconductividad”.
En el estudio también participaron investigadores de ETH Zurich y la Universidad Estatal de Ohio y recibió apoyo parcial de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. (FA9550-21-1-0338). Este esfuerzo internacional marca un paso clave hacia la integración del comportamiento superconductor en los materiales que alimentan la electrónica actual, remodelando potencialmente el panorama de la informática y la tecnología cuántica.
