Como Cientistas Transformaram Semicondutores em Supercondutores

Limitações da Supercondutividade

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

Existe uma alternativa: materiais supercondutores. Materiais supercondutores têm resistência elétrica zero, permitindo que correntes extremamente poderosas fluam sem gerar calor.

Sem a supercondutividade, muitas tecnologias modernas não seriam possíveis, incluindo aceleradores de partículas (por exemplo, CERN), ressonância magnética (MRI) e trens maglev.

A supercondutividade será um componente crucial dos megaprojetos e inovações tecnológicas mais promissores, como ITER e fusão nuclear, propulsores de massa, computadores quânticos, etc.

Linhas de energia elétrica sem perdas também podem ser cruciais no desenvolvimento de conexões de rede ultra‑longas, ajudando a equilibrar a produção de renováveis em diferentes condições climáticas e fusos horários, resolvendo algumas das limitações da energia solar e eólica.

No entanto, a supercondutividade foi dominada até agora apenas para materiais que a exibem em temperaturas ultra‑baixas, apenas alguns graus acima do zero absoluto. Ou sob pressão extremamente alta. Ou ambos.

Isso a torna não apenas muito complexa para qualquer aplicação, exceto as mais exigentes (maglev, MRI, etc.), como também muito cara, tornando‑a economicamente inviável para muitas aplicações que poderiam se beneficiar de materiais supercondutores em escala grande.

Muitos Caminhos para a Supercondutividade

Agora parece que o material produzido sob alta pressão pode ser capaz de manter parte de sua supercondutividade em pressão mais baixa por meio de um método experimental chamado protocolo de resfriamento por pressão (PQP).

Recentemente, o bilayer torcido de WSe₂ (tungstênio selênio) pareceu ser um bom candidato material para supercondutores de temperatura mais alta também.

Outra nova classe de potenciais supercondutores, os níquelatos de bilayer, podem ter sido adicionados à lista este ano também.

Ainda assim, todos esses materiais são relativamente novos e exóticos, o que os mantém bastante distantes da produção em massa e da implantação em escala.

Isso pode mudar, graças à descoberta de que semicondutores à base de germânio podem ser transformados em supercondutores. Essa pesquisa foi realizada por cientistas da University of Queensland (Austrália), New York University, ETH Zürich (Suíça) e The Ohio State University, que publicaram suas descobertas na Nature Nanotechnology¹, sob o título “Superconductivity in substitutional Ga-hyperdoped Ge epitaxial thin films”.

De Semicondutores a Supercondutores

Semicondutores de Germânio

Germânio e silício são ambos elementos do chamado Grupo IV, com estruturas cristalinas semelhantes a diamante. Essa estrutura cristalina faz com que se comportem como algo entre um metal (condutor de eletricidade) e um isolante (não condutor), tornando‑os úteis para a produção de semicondutores.

Na verdade, foi um dos primeiros materiais usados para diodos e transistores, e foi substituído pelo silício graças ao seu menor custo e superior estabilidade térmica.

Hoje, o germânio, que é crucial para eletrônica e óptica infravermelha, incluindo sensores em mísseis e satélites de defesa, é principalmente produzido a partir de minas de zinco e molibdênio.

Para criar supercondutividade, é necessário que os elétrons se emparelhem, permitindo que se movam através do material sem resistência.

Já em 2023, foi encontrada uma fase supercondutora em filmes de germânio, um trabalho realizado pelos pesquisadores responsáveis por esta última descoberta, dopando material de gálio com germânio.

Fonte: ResearchGate

“Isso funciona porque os elementos do grupo IV não se tornam naturalmente supercondutores sob condições normais, mas modificar sua estrutura cristalina permite a formação de pares de elétrons que possibilitam a supercondutividade.”

Javad Shabani – Diretor do Center of Quantum Information Physics da NYU.

Potencial de Escala

Embora tentativas anteriores de criar comportamento supercondutor em semicondutores como germânio e silício tenham comprovado o conceito, elas tiveram dificuldades em escalá‑lo.

Os principais problemas eram manter a estrutura atômica com propriedades de condução adequadas. Normalmente, altos níveis de gálio desestabilizam o cristal, impedindo a supercondutividade.

Ainda assim, é uma ideia promissora, pois a fabricação de semicondutores de germânio é uma tecnologia muito bem compreendida, com abundante equipamento pronto para uso.

“O germânio já é um material fundamental para tecnologias avançadas de semicondutores, então ao demonstrar que ele também pode se tornar supercondutor sob condições de crescimento controladas, há agora potencial para dispositivos quânticos escaláveis e prontos para fundição.”

Dr Peter Jacobson – Pesquisador da University of Queensland

Novo Método de Produção

A maioria dos métodos de dopagem tenta inserir íons no material, mas resulta em resultados bastante irregulares. Embora isso possa ser suficiente para melhorar o desempenho do semicondutor, é impreciso demais para induzir supercondutividade.

Em vez disso, os pesquisadores usaram uma técnica chamada molecular beam epitaxy (MBE). Ela direciona feixes de fontes atômicas ou moleculares para um substrato aquecido em um ambiente de vácuo ultra‑alto (UHV).

Fonte: ExplainThatStuff

Isso fornece controle preciso sobre a composição, espessura e dopagem do filme em crescimento.

“Em vez de implantação iônica, a epitaxia por feixe molecular (MBE) foi usada para incorporar precisamente átomos de gálio na rede cristalina do germânio.

Usar epitaxia – crescer camadas cristalinas finas – significa que finalmente podemos alcançar a precisão estrutural necessária para entender e controlar como a supercondutividade surge nesses materiais.”

Dr Julian Steele – Pesquisador da University of Queensland

Ao usar absorção de raios X baseada em sincrotrão, os pesquisadores descobriram que os dopantes de gálio são incorporados na rede de germânio, introduzindo uma distorção tetragonal na célula unitária do cristal.

Fonte: Nature Nanotechnology

Esta ordem estrutural cria uma banda eletrônica estreita para o surgimento da supercondutividade no Ge.

Fonte: Nature Nanotechnology

Mais importante, este método pode funcionar em escala de nível de wafer, os mesmos métodos usados para produzir em massa chips eletrônicos.

Fonte: WaferWorld

“Este trabalho teórico confirmou que átomos de gálio substituem de forma ordenada a rede de germânio, criando as condições eletrônicas para a supercondutividade.

É um exemplo elegante de como computação e experimento juntos podem resolver um problema que desafia a ciência dos materiais há mais de meio século.”

Dr Carla Verdi – Pesquisadora da University of Queensland

Aplicações

A supercondutividade que este método cria não é uma supercondutividade à temperatura ambiente, pois requer temperaturas tão baixas quanto 3,5 K (-269 °C / -453 °F), um fenômeno que ainda escapa à ciência dos materiais.

Ainda assim, a facilidade de sua produção, usando maquinário bem estabelecido pela indústria de semicondutores, pode mudar radicalmente a forma como chips supercondutores são fabricados.

Por sua vez, isso pode mudar radicalmente a forma como materiais para computadores quânticos são produzidos. Muito provavelmente, em vez de material supercondutor caro, um futuro computador quântico poderia usar apenas um wafer semicondutor “normal” de gálio‑germânio, tornado supercondutor em pontos específicos do chip.

“Esses materiais abrem um caminho para uma nova era de dispositivos quânticos híbridos e podem sustentar futuros circuitos quânticos, sensores e eletrônicos criogênicos de baixo consumo, todos os quais precisam de interfaces limpas entre regiões supercondutoras e semicondutoras.”

Dr Peter Jacobson – Pesquisador da University of Queensland

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Investindo na Fabricação de Semicondutores

TSMC

A produção de semicondutores é uma indústria dominada pela combinação de expertise muito especializada e complexa, e pela necessidade de produzir em massa em escala para reduzir custos.

Nenhuma empresa tem sido tão bem‑sucedida em dominar esse modelo de negócios quanto a TSMC, a empresa taiwanesa que lidera o mundo na fabricação de chips ultra‑avançados.

A TSMC produz, claro, principalmente chips de silício, incluindo os chips de nós de 3 nm e 2 nm mais poderosos. E como produz principalmente os chips mais avançados e caros, controla mais da metade das receitas globais da indústria de fundição de semicondutores.

Fonte: Eric Flaningam

A TSMC está hoje evoluindo para começar a produzir chips de silício nos EUA, notavelmente com um investimento massivo em suas novas fundições no Arizona.

Ainda assim, a TSMC também é especialista em transistores avançados à base de germânio e outros semicondutores.

Portanto, enquanto a empresa obtém a maior parte de seu lucro atual de chips avançados e da fabricação de hardware de IA para empresas como a Nvidia (NVDA ), ela também pode ser uma das principais beneficiárias da descoberta de que métodos comuns de fabricação de semicondutores podem produzir.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da TSMC (TSM)

Estudo 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}