Cómo los científicos hicieron que los semiconductores fueran superconductores

Límites de la superconductividad

La electricidad ha sido una de las tecnologías más transformadoras de la historia, pues permite transmitir a grandes distancias una forma de energía muy útil. Sin embargo, todo sistema eléctrico “normal” presenta resistencia eléctrica, que genera calor cuando circula una corriente.

Existe una alternativa: los materiales superconductores. Estos presentan resistencia eléctrica nula, por lo que corrientes extremadamente intensas pueden circular sin generar calor.

Sin la superconductividad no serían posibles numerosas tecnologías modernas, como los aceleradores de partículas —por ejemplo, el CERN—, la resonancia magnética y los trenes de levitación magnética.

La superconductividad será un componente esencial de algunos de los megaproyectos e innovaciones tecnológicas más prometedores, como ITER y la fusión nuclear, los aceleradores de masa y las computadoras cuánticas, entre otros.

Las líneas eléctricas sin pérdidas también podrían ser fundamentales para desarrollar interconexiones de red ultralargas, compensar la variabilidad de las energías renovables entre condiciones meteorológicas y zonas horarias y resolver algunas limitaciones de la energía solar y eólica.

Hasta ahora, no obstante, la superconductividad solo se ha dominado en materiales que la presentan a temperaturas ultrabajas, apenas unos grados por encima del cero absoluto, o a presiones extremadamente altas, o en ambas condiciones.

Esto la hace demasiado compleja salvo para las aplicaciones más exigentes —levitación magnética, resonancia magnética, etc.— y también muy costosa, por lo que no resulta rentable utilizar materiales superconductores a gran escala en muchas aplicaciones que se beneficiarían de ellos.

Muchas rutas hacia la superconductividad

Ahora parece que un material producido a alta presión podría conservar parte de su superconductividad a menor presión mediante un método experimental denominado protocolo de enfriamiento brusco de presión (PQP).

Recientemente, la bicapa retorcida de WSe₂ (seleniuro de tungsteno) también apareció como un buen candidato a superconductor de mayor temperatura.

Este año podría haberse añadido a la lista otra nueva clase de posibles superconductores: los niquelatos bicapa.

Aun así, todos estos materiales son relativamente nuevos y exóticos, por lo que todavía están lejos de la producción masiva y el despliegue a gran escala.

Eso podría cambiar gracias al descubrimiento de que los semiconductores basados en germanio pueden convertirse en superconductores. La investigación fue realizada por científicos de la Universidad de Queensland (Australia), la Universidad de Nueva York, la ETH de Zúrich (Suiza) y la Universidad Estatal de Ohio. Los resultados se publicaron en Nature Nanotechnology¹ con el título “Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films”.

De semiconductores a superconductores

Semiconductores de germanio

El germanio y el silicio pertenecen al denominado grupo IV y poseen estructuras cristalinas similares a la del diamante. Esta estructura hace que se comporten a medio camino entre un metal conductor y un aislante, por lo que resultan útiles para fabricar semiconductores.

Germanium semiconductor production is already well understood and performed at scale for various electronic and optical devices. En realidad, fue uno de los primeros materiales utilizados para diodos y transistores, y solo fue reemplazado por el silicio gracias a sus menores costos y superior estabilidad térmica.

En la actualidad, el germanio —esencial para la electrónica y la óptica infrarroja, incluidos sensores de misiles y satélites de defensa— se obtiene principalmente de minas de zinc y molibdeno.

Para crear superconductividad, los electrones deben emparejarse, lo que les permite desplazarse por el material sin resistencia.

Ya en 2023 se había identificado una fase superconductora en películas de germanio. El trabajo fue realizado por los responsables del nuevo descubrimiento mediante el hiperdopaje de germanio con galio.

Fuente: ResearchGate

“Esto funciona porque los elementos del grupo IV no se vuelven superconductores de forma natural bajo condiciones normales, pero modificar su estructura cristalina permite la formación de emparejamientos de electrones que permiten la superconductividad.”

Javad Shabani – Director del Center of Quantum Information Physics de NYU.

Potencial de escalado

Aunque los intentos anteriores de inducir superconductividad en semiconductores como el germanio y el silicio demostraron el concepto, no lograron hacerlo a gran escala.

El principal problema consistía en conservar la estructura atómica con las propiedades de conducción adecuadas. Normalmente, una concentración elevada de galio desestabiliza el cristal e impide la superconductividad.

Aun así, la idea es prometedora porque la fabricación de semiconductores de germanio es una tecnología bien conocida y ya existe abundante equipo listo para utilizarse.

“El germanio ya es un material básico para tecnologías avanzadas de semiconductores, así que al demostrar que también puede volverse superconductor bajo condiciones de crecimiento controladas, ahora existe el potencial para dispositivos cuánticos escalables y listos para fundiciones.”

Dr Peter Jacobson – Investigador de la University of Queensland

Nuevo método de producción

La mayoría de los métodos de dopaje intentan implantar iones en el material, pero producen resultados bastante irregulares. Eso puede bastar para mejorar el rendimiento de un semiconductor, aunque resulta demasiado impreciso para inducir superconductividad.

En cambio, los investigadores emplearon una técnica llamada epitaxia de haces moleculares (MBE), que dirige haces de fuentes atómicas o moleculares hacia un sustrato calentado dentro de un entorno de vacío ultraalto (UHV).

Fuente: ExplainThatStuff

Esto permite controlar con precisión la composición, el grosor y el nivel de dopaje de la película a medida que crece.

“En lugar de la implantación de iones, se utilizó epítaxis por haz molecular (MBE) para incorporar con precisión átomos de galio en la red cristalina del germanio.

El uso de la epitaxia – el crecimiento de capas cristalinas delgadas – significa que finalmente podemos lograr la precisión estructural necesaria para comprender y controlar cómo emerge la superconductividad en estos materiales.”

Dr Julian Steele – Investigador de la University of Queensland

Mediante absorción de rayos X basada en sincrotrón, los investigadores comprobaron que los dopantes de galio se incorporan a la red de germanio e introducen una distorsión tetragonal en la celda unitaria del cristal.

Fuente: Nature Nanotechnology

Este orden estructural crea una banda electrónica estrecha que permite la aparición de superconductividad en el germanio.

Fuente: Nature Nanotechnology

Y, lo que es más importante, este método funciona a escala de oblea, igual que los procesos empleados para fabricar chips electrónicos en masa.

Fuente: WaferWorld

“Este trabajo teórico confirmó que los átomos de galio se sustituyen limpiamente en la red de germanio, creando las condiciones electrónicas para la superconductividad.

Es un ejemplo elegante de cómo la computación y el experimento juntos pueden resolver un problema que ha desafiado a la ciencia de materiales durante más de medio siglo.”

Dr Carla Verdi – Investigadora de la University of Queensland

Aplicaciones

La superconductividad creada con este método no se produce a temperatura ambiente, pues requiere temperaturas de apenas 3,5 K (-269 °C / -453 °F), un fenómeno que la ciencia de materiales todavía no ha conseguido.

Aun así, la facilidad de producción mediante maquinaria ya consolidada en la industria de semiconductores podría transformar radicalmente la fabricación de chips superconductores.

A su vez, esto podría cambiar por completo la forma de producir materiales para computadoras cuánticas. En lugar de emplear costosos materiales superconductores, una futura computadora cuántica podría utilizar una oblea “normal” de galio y germanio convertida en superconductora únicamente en puntos específicos del chip.

“Estos materiales abren el camino a una nueva era de dispositivos cuánticos híbridos y podrían sustentar futuros circuitos cuánticos, sensores y componentes electrónicos criogénicos de bajo consumo, todos los cuales necesitan interfaces limpias entre regiones superconductoras y semiconductoras.”

Dr. Peter Jacobson — Investigador de la Universidad de Queensland

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Invertir en la fabricación de semiconductores

TSMC

La producción de semiconductores es una industria dominada por la combinación de conocimientos muy especializados y complejos y la necesidad de fabricar en masa para reducir costes.

Ninguna empresa ha dominado este modelo de negocio con tanto éxito como TSMC, la compañía taiwanesa líder mundial en fabricación de chips ultravanzados.

TSMC produce principalmente chips de silicio, incluidos los nodos más potentes de 3 y 2 nm. Como fabrica sobre todo los chips más avanzados y caros, controla más de la mitad de los ingresos mundiales de la industria de fundición de semiconductores.

Fuente: Eric Flaningam

TSMC está ampliando la producción de chips de silicio en Estados Unidos, en particular mediante una enorme inversión en sus nuevas fábricas de Arizona.

TSMC también es especialista en transistores avanzados basados en germanio y otros semiconductores.

Aunque la empresa obtiene actualmente la mayor parte de sus beneficios de chips avanzados y de la fabricación de hardware de IA para compañías como Nvidia (NVDA ), también podría ser una de las principales beneficiarias del descubrimiento de que los métodos habituales de fabricación de semiconductores pueden producir superconductores.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de TSMC (TSM)

Estudio Referenciado:

^{1. Steele, J.A., Strohbeen, P.J., Verdi, C. et al. Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}