Cómo los científicos convirtieron los semiconductores en superconductores

Limitaciones de la superconductividad

La electricidad ha sido una de las tecnologías más transformadoras de la historia, permitiendo la transmisión de una forma muy útil de energía a largas distancias. Pero todos los sistemas eléctricos “normales” enfrentan una resistencia eléctrica, lo que resulta en la generación de calor cuando se aplica una corriente eléctrica.

Existe una alternativa: los materiales superconductores. Los materiales superconductores tienen una resistencia eléctrica cero, lo que permite que fluyan corrientes extremadamente poderosas sin generar calor.

Sin superconductividad, mucha de la tecnología moderna no sería posible, incluyendo aceleradores de partículas (por ejemplo, CERN), MRI y trenes maglev.

La superconductividad será un componente crucial de los megaproyectos y innovaciones tecnológicas más prometedoras, como ITER y fusión nuclear, conductores de masa, computadoras cuánticas, etc.

Las líneas de energía eléctrica sin pérdidas también podrían ser cruciales para desarrollar conexiones de red ultra largas, ayudando a amortiguar la producción de energías renovables sobre condiciones climáticas y zonas horarias, resolviendo algunas de las limitaciones de la energía solar y eólica.

Sin embargo, la superconductividad solo se ha dominado hasta ahora para materiales que la exhiben a temperaturas ultra bajas, apenas unos pocos grados por encima del cero absoluto. O presión extremadamente alta. O ambas.

Esto hace que no solo sea demasiado complejo para cualquier aplicación que no sea muy exigente (maglev, MRI, etc.), sino que también es muy costoso, lo que lo hace antieconómico para muchas aplicaciones que podrían beneficiarse de materiales superconductores para un uso a gran escala.

Muchos caminos hacia la superconductividad

Ahora parece que el material producido bajo alta presión podría ser capaz de retener algo de su superconductividad a presión más baja a través de un método experimental llamado protocolo de cuenca de presión (PQP).

Recientemente, la capa doble de WSe₂ (tungsteno selenio) apareció como un buen candidato para superconductores de temperatura más alta.

Otra nueva clase de superconductores potenciales, los nickelatos de capa doble, podrían haber sido agregados a la lista este año.

Sin embargo, todos estos materiales son relativamente nuevos y exóticos, lo que los hace bastante alejados de la producción y despliegue a gran escala.

Esto podría cambiar, gracias al descubrimiento de que los semiconductores de germanio podrían convertirse en superconductores. Esta investigación fue realizada por científicos de la Universidad de Queensland (Australia), la Universidad de Nueva York, el ETH Zúrich (Suiza) y la Universidad Estatal de Ohio, quienes publicaron sus hallazgos en Nature Nanotechnology¹, bajo el título “Superconductividad en películas epitaxiales delgadas de Ge hiperdopado con Ga”.

De semiconductores a superconductores

Semiconductores de germanio

El germanio y el silicio son ambos elementos del grupo IV, con estructuras cristalinas similares al diamante. Esta estructura cristalina los hace comportarse como algo entre un metal (conductor de electricidad) y un aislante (no conductor), lo que los hace útiles para la producción de semiconductores.

La producción de semiconductores de germanio ya está bien entendida y se realiza a gran escala para varios dispositivos electrónicos y ópticos. Fue uno de los primeros materiales utilizados para diodos y transistores, y solo fue reemplazado por el silicio gracias a sus menores costos y mayor estabilidad térmica.

Hoy en día, el germanio, que es crucial para la electrónica y la óptica infrarroja, incluyendo sensores en misiles y satélites de defensa, se produce principalmente a partir de minas de zinc y molibdeno.

Para crear superconductividad, es necesario que los electrones se emparejen, lo que les permite moverse a través del material sin resistencia.

Ya en 2023, se encontró una fase superconductora en películas de germanio, un trabajo realizado por investigadores responsables de este último descubrimiento, dopando material de galio con germanio.

Fuente: ResearchGate

“Esto funciona porque los elementos del grupo IV no superconductan naturalmente en condiciones normales, pero modificar su estructura cristalina permite la formación de emparejamientos de electrones que permiten la superconductividad”.

Javad Shabani – Director del Centro de Física de la Información Cuántica de la Universidad de Nueva York.

Potencial de escalabilidad

Mientras que los intentos anteriores de crear un comportamiento superconductor en semiconductores como el germanio y el silicio demostraron el concepto, lucharon por construirlo a gran escala.

El principal problema fue mantener la estructura atómica con las propiedades de conducción adecuadas. Normalmente, los altos niveles de galio desestabilizan el cristal, lo que evita la superconductividad.

Sin embargo, esta es una idea prometedora, ya que la fabricación de semiconductores de germanio es una tecnología muy bien entendida, con mucho equipo listo para usarse.

“El germanio ya es un material de trabajo para tecnologías de semiconductores avanzados, así que al demostrar que también puede volverse superconductor en condiciones de crecimiento controladas, ahora hay un potencial para dispositivos cuánticos escalables y listos para la fundición”.

Dr. Peter Jacobson – Investigador de la Universidad de Queensland

Nuevo método de producción

La mayoría de los métodos de dopaje intentan implementar los iones en el material, pero conducen a resultados bastante irregulares. Si bien esto puede ser suficiente para mejorar el rendimiento del semicondutor, es demasiado impreciso para inducir superconductividad.

En cambio, los investigadores utilizaron una técnica llamada epitaxia de haz molecular (MBE). Dirige haces de fuentes atómicas o moleculares hacia un sustrato calentado en un entorno de vacío ultra alto (UHV).

Fuente: ExplainThatStuff

Esto proporciona un control preciso sobre la composición, el grosor y el dopaje de la película en crecimiento.

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

Utilizar la epitaxia – crecer capas cristalinas delgadas – significa que finalmente podemos lograr la precisión estructural necesaria para entender y controlar cómo emerge la superconductividad en estos materiales.”

Cuando se utiliza la absorción de rayos X basada en sincrotrón, los investigadores encontraron que los dopantes de galio se incorporan dentro de la red del germanio, introduciendo una distorsión tetragonal en la celda unitaria del cristal.

Fuente: Nature Nanotechnology

Este orden estructural crea una banda electrónica estrecha para el surgimiento de la superconductividad en Ge.

Fuente: Nature Nanotechnology

Lo más importante es que este método puede funcionar a escala de oblea, los mismos métodos utilizados para producir chips electrónicos a gran escala.

Fuente: WaferWorld

“Este trabajo teórico confirmó que los átomos de galio se sustituyen limpiamente en la red del 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.”

Aplicaciones

La superconductividad que crea este método no es una superconductividad a temperatura ambiente, ya que requiere temperaturas tan bajas como 3,5 K (-269 °C / -453 °F), un fenómeno que todavía elude a la ciencia de materiales.

Sin embargo, la facilidad de su producción, utilizando maquinaria bien establecida utilizada por la industria de semiconductores, podría cambiar radicalmente la forma en que se fabrican los chips superconductores.

A su vez, esto podría cambiar radicalmente la forma en que se producen los materiales para computadoras cuánticas. Es probable que, en lugar de materiales superconductores costosos, una computadora cuántica del futuro podría utilizar simplemente una oblea semiconductora de galio-germanio “normal”, vuelta superconductora en puntos específicos del chip.

“Estos materiales abren un camino para una nueva era de dispositivos cuánticos híbridos y podrían sentar las bases para futuros circuitos cuánticos, sensores y electrónica criogénica de baja potencia, todos los cuales necesitan interfaces limpias entre regiones superconductoras y semiconductoras.”

Invertir en la fabricación de semiconductores

TSMC

La producción de semiconductores es una industria dominada por la combinación de experiencia muy especializada y la necesidad de producir a gran escala para reducir costos.

Ninguna empresa ha sido tan exitosa en dominar este modelo de negocio como TSMC, la empresa taiwanesa que lidera el mundo en la fabricación de chips ultra avanzados.

TSMC produce, por supuesto, principalmente chips de silicio, incluyendo los chips de nodos de 3 y 2 nm más poderosos. Y como produce principalmente los chips más avanzados y costosos, controla más de la mitad de los ingresos globales de la industria de la fundición de semiconductores.

Fuente: Eric Flaningam

TSMC está evolucionando hoy para comenzar a producir chips de silicio en los EE. UU., notablemente con una gran inversión en sus nuevas fábricas de Arizona.

Sin embargo, TSMC también es un experto en transistores de germanio avanzados y otros semiconductores.

Así que, si bien la empresa está impulsando sus ganancias actuales principalmente con chips avanzados y la fabricación de hardware de AI para empresas como Nvidia (NVDA ), también podría ser uno de los principales beneficiarios del descubrimiento de que los métodos de fabricación de semiconductores comunes pueden producir.

Últimas noticias y desarrollos de TSMC (TSM)

Estudio referenciado:

^{1. Steele, J.A., Strohbeen, P.J., Verdi, C. et al. Superconductividad en películas epitaxiales delgadas de Ge hiperdopado con Ga. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}