Chips supercondutores poderão se tornar realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/06/2009

Amostra bruta do elemento germânio, um semicondutor que se tornou supercondutor a pressão ambiente.
[Imagem: Wikimedia Commons/Gibe]

Cientistas alemães conseguiram pela primeira vez tornar o semicondutor germânio um supercondutor a pressão ambiente. O germânio foi utilizado na criação do primeiro transístor e de toda a primeira geração desses componentes que viriam revolucionar o mundo. Mas ele foi logo sido substituído pelo silício, o elemento que ainda hoje permanece como um dos principais ingredientes dos componentes eletrônicos.

Candidato azarão

Os resultados são surpreendentes porque o germânio não era considerado um elemento promissor para a substituição do silício, cujos limites físicos para miniaturização estão se aproximando rapidamente. Esta descoberta, contudo, coloca o germânio novamente no centro das pesquisas que procuram alternativas para o desenvolvimento de uma nova geração de processadores.

Os físicos sonham há muito tempo com a sintetização de semicondutores que também possam ser supercondutores porque a combinação das duas propriedades em um mesmo elemento abre enormes possibilidades de desenvolvimento de chips com arquiteturas semelhantes às dos chips atuais, mas com velocidades infinitamente superiores. Mas o germânio não estava na agenda de muito deles, que têm preferido trabalhar com diamante ou com as alternativas orgânicas, a partir de nanotubos de carbono e do grafeno.

Semi ou super?

Supercondutores são substâncias que conduzem eletricidade sem perdas. A maioria dos materiais somente se torna supercondutora a temperaturas muito baixas ou sob altíssimas pressões. Mas, até agora, os elementos mais utilizados pela indústria eletrônica, como cobre, prata e ouro, além do próprio germânio, recusavam-se a apresentar esta propriedade quaisquer que fossem as condições.

Semicondutores puros, como o silício ou o germânio, são quase inteiramente isolantes a temperaturas muito baixas. Eles somente adquirem capacidade de condução elétrica com a adição de pequenas quantidades de outros elementos, um processo chamado dopagem. A implantação de íons - átomos eletricamente carregados - no interior da estrutura atômica desses materiais é a chave para a sua utilização na fabricação dos transistores que estão na base de toda a eletrônica atual.

Gálio no germânio

Visão artística do implante de íons de gálio (azuis) nas pastilhas de germânio. Pulsos curtos de luz são usados para o recozimento do material para reconstruir sua estrutura atômica, danificada pela implantação dos íons dopantes.[Sander Münster, Kunstkosmos]

Para produzir um semicondutor que apresenta propriedades supercondutoras torna-se necessário adicionar uma quantidade muito grande átomos dopantes, mais até do que a quantidade que a substância receptora seria capaz de absorver.

Os cientistas alemães adicionaram seis átomos de gálio para cada 100 átomos de germânio. O esperado seria que a supercondutividade acontecesse apenas nos aglomerados dos átomos da substância dopante, mas não foi isto que aconteceu - dopada desse forma, uma camada de germânio de 60 nanômetros de espessura tornou-se inteiramente supercondutora.

A inserção de tantos átomos estranhos danifica seriamente a estrutura do germânio, mas os cientistas utilizaram uma técnica chamada recozimento (annealing) para refazer sua rede cristalina. Esta operação exigiu o desenvolvimento de um equipamento totalmente novo, capaz de emitir os pulsos de luz na intensidade e no comprimento de onda adequados.

De um ponto de vista científico, o novo material é muito promissor. Ele apresenta um campo magnético crítico surpreendentemente elevado em relação à temperatura na qual ele se torna supercondutor.

Renascimento do germânio

O ressurgimento do interesse no germânio tem tudo a ver com as dimensões cada vez menores dos transistores e dos chips em geral: a miniaturização exige camadas de óxido extremamente finas, mas o silício não funciona muito bem nessas escalas. Foi a partir daí que surgiram os materiais de elevada constante dielétrica (high-k), principalmente a partir do háfnio.

O uso do germânio como um novo material para os chips terá duas grandes vantagens: ele permitirá a construção de processadores mais rápidos do que os atuais e permitirá a continuidade do processo de miniaturização.

A descoberta marca um verdadeiro renascimento do germânio, considerado por muitos como um elemento do passado da microeletrônica. Mas o novo super(condutor) germânio, fazendo avançar a miniaturização dos componentes eletrônicos além dos limites do silício, abrirá a possibilidade de novos desenvolvimentos no campo da microeletrônica e da nanoeletrônica.

Para conhecer outra pesquisa que busca explorar o conceito de chips supercondutores, veja Novo transistor integra elementos semicondutores com supercondutores

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