Como os Cientistas Transformaram Semicondutores em Supercondutores

Limitações da Supercondutividade

A eletricidade tem sido uma das tecnologias mais transformadoras da história, permitindo a transmissão de uma forma muito útil de energia sobre longas distâncias. Mas todos os sistemas elétricos “normais” enfrentam resistência elétrica, o que resulta na geração de calor quando uma corrente elétrica é aplicada.

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

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

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

Linhas de energia elétrica sem perda também poderiam ser cruciais no desenvolvimento de conexões de grade ultra-longas, ajudando a bufferizar a produção de renováveis sobre 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 pressão extremamente alta. Ou ambos.

Isso torna não apenas muito complexo para qualquer aplicação que não seja muito exigente (maglev, MRI, etc.), mas também muito caro, tornando-o antieconômico para muitas aplicações que poderiam se beneficiar de materiais supercondutores para qualquer uso em larga escala.

Muitos Caminhos para a Supercondutividade

Agora parece que o material produzido sob alta pressão pode ser capaz de reter alguma de sua supercondutividade em pressões mais baixas por meio de um método experimental chamado protocolo de pressão-quench (PQP).

Recentemente, a camada entrelaçada de WSe₂ (tungstênio selênio) pareceu ser um bom candidato a material para supercondutores de temperatura mais alta.

Outra nova classe de potenciais supercondutores, nickelatos em camada dupla, pode ter sido adicionada à lista este ano.

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

Isso pode mudar, graças à descoberta de que semicondutores baseados em germânio podem ser transformados em supercondutores. Essa pesquisa foi realizada por cientistas da Universidade de Queensland (Austrália), Universidade de Nova York, ETH Zürich (Suíça) e Universidade Estadual de Ohio, que publicaram suas descobertas em Nature Nanotechnology¹, sob o título “Supercondutividade em filmes epitaxiais finos de Ge hiperdopado com Ga”.

De Semicondutores para Supercondutores

Semicondutores de Germânio

Germânio e silício são ambos elementos do grupo IV, com estruturas cristalinas semelhantes ao diamante. Essa estrutura cristalina os torna úteis para a produção de semicondutores.

A produção de semicondutores de germânio já é bem compreendida e realizada em escala para vários dispositivos eletrônicos e ópticos. Foi actually um dos primeiros materiais usados para diodos e transistores, e foi substituído por silício devido aos seus menores custos e superior estabilidade térmica.

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

Para criar supercondutividade, é necessário que os elétrons sejam emparelhados, permitindo que eles se movam pelo material sem resistência.

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

Fonte: ResearchGate

“Isso funciona porque os elementos do grupo IV não supercondutores naturalmente em condições normais, mas modificando sua estrutura cristalina permite a formação de emparelhamentos de elétrons que permitem a supercondutividade.”

Javad Shabani – Diretor do Centro de Física de Informação Quântica da NYU.

Potencial de Escala

Enquanto tentativas anteriores de criar comportamento supercondutor em semicondutores como germânio e silício provaram o conceito, elas lutaram para construí-lo em escala.

Os principais problemas foram manter a estrutura atômica com propriedades de condução apropriadas. Normalmente, altos níveis de gálio destabilizam o cristal, impedindo a supercondutividade.

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

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

Dr. Peter Jacobson – Pesquisador da Universidade de Queensland

Novo Método de Produção

A maioria dos métodos de dopagem tenta implementar os íons no material, mas leva a resultados bastante irregulares. Embora isso possa ser suficiente para melhorar o desempenho do semicondutor, isso é muito impreciso para induzir supercondutividade.

Em vez disso, os pesquisadores usaram uma técnica chamada molecular beam epitaxy (MBE). Ela direciona feixes de fontes atômicas ou moleculares sobre 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 de íons, a epitaxia de feixe molecular (MBE) foi usada para incorporar precisamente átomos de gálio na rede cristalina do germânio.

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

Quando usando absorção de raios-X baseada em sincrotrão, os pesquisadores encontraram que os dopantes de gálio são incorporados dentro da rede do germânio, introduzindo uma distorção tetragonal na célula unitária do cristal.

Fonte: Nature Nanotechnology

Essa ordem estrutural cria uma faixa eletrônica estreita para o surgimento da supercondutividade em Ge.

Fonte: Nature Nanotechnology

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

Fonte: WaferWorld

“Esse trabalho teórico confirmou que os átomos de gálio se substituem neatamente na rede do germânio, criando as condições eletrônicas para a supercondutividade.

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

Aplicações

A supercondutividade que esse método cria não é uma supercondutividade em 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 máquinas bem estabelecidas usadas pela indústria de semicondutores, pode radicalmente mudar como os chips supercondutores são feitos.

Em seguida, isso pode radicalmente mudar como os materiais para computadores quânticos são produzidos. Mais provável, em vez de materiais supercondutores caros, um futuro computador quântico poderia simplesmente usar um wafer de semicondutor de germânio-gálio “normal”, tornado supercondutor em pontos específicos do chip.

“Esses materiais abrem um caminho para uma nova era de dispositivos quânticos híbridos e poderiam ser a base de futuros circuitos quânticos, sensores e eletrônica criogênica de baixa potência, todos os quais precisam de interfaces limpas entre regiões supercondutoras e semicondutoras.”

Investindo na Fabricação de Semicondutores

TSMC

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

Nenhuma empresa foi 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, é claro, principalmente chips de silício, incluindo os chips de nó 3 e 2nm 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, notadamente com um grande investimento em suas novas fábricas do Arizona.

Ainda assim, a TSMC também é uma especialista em transistores avançados baseados em germânio e outros semicondutores.

Então, enquanto a empresa está impulsionando seu lucro atual principalmente com chips avançados e a fabricação de hardware de AI para empresas como a Nvidia (NVDA ), ela também pode ser uma das principais beneficiárias da descoberta de que métodos de fabricação de semicondutores comuns podem produzir.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos da TSMC (TSM)

Estudo Referenciado:

^{1. Steele, J.A., Strohbeen, P.J., Verdi, C. et al. Supercondutividade em filmes epitaxiais finos de Ge hiperdopado com Ga. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02042-8}