Eletrônica

Chips supercondutores poderão se tornar realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/06/2009

Chips supercondutores poderão se tornar realidade
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

Chips supercondutores poderão se tornar realidade
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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Bibliografia:

Superconducting state in a gallium-doped germanium layer at low temperatures
T. Herrmannsdörfer, V. Heera, O. Ignatchik, M. Uhlarz, A. Mücklich, M. Posselt, H. Reuther, B. Schmidt, K.-H. Heinig, W. Skorupa, M. Voelskow, C. Wündisch, R. Skrotzki, M. Helm, J. Wosnitza
Physical Review Letters
Vol.: 102, Number 21, page 217003 (2009)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.217003
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