Investigadores logran convertir germanio en superconductor para tecnología avanzada

Durante décadas, los investigadores intentaron desarrollar materiales semiconductores que pudieran actuar como superconductores, es decir, capaces de transportar corriente eléctrica sin resistencia. Los semiconductores, que son fundamentales en los chips de computadoras y en las celdas solares, podrían operar de manera mucho más rápida y eficiente si también tuvieran propiedades superconductoras. Sin embargo, transformar materiales como el silicio y el germanio en superconductores había sido un desafío importante, principalmente porque requiere mantener una delicada disposición atómica que permita a los electrones moverse libremente.

Un equipo global de científicos logró lo que antes parecía inalcanzable. En un nuevo estudio publicado en Nature Nanotechnology, informaron sobre la creación de una forma de germanio que exhibe superconductividad. Esto significa que puede conducir electricidad sin resistencia, permitiendo que las corrientes eléctricas circulen indefinidamente sin perder energía. Tal comportamiento podría mejorar drásticamente el rendimiento de dispositivos electrónicos y cuánticos, al tiempo que reduce el consumo de energía.

"Establecer la superconductividad en el germanio, que ya se utiliza ampliamente en chips de computadora y fibra óptica, puede revolucionar numerosos productos de consumo y tecnologías industriales", explicó Javad Shabani, físico de la Universidad de Nueva York y director de su Centro de Física de Información Cuántica e Instituto Cuántico.

Por su parte, Peter Jacobson, físico de la Universidad de Queensland, agregó que los hallazgos podrían acelerar el progreso en la construcción de sistemas cuánticos prácticos. "Estos materiales podrían ser la base de futuros circuitos cuánticos, sensores y electrónica criogénica de bajo consumo, todos los cuales necesitan interfaces limpias entre regiones superconductoras y semiconductoras", afirmó. "El germanio ya es un material fundamental para tecnologías avanzadas de semiconductores, por lo que al demostrar que también puede volverse superconductor bajo condiciones de crecimiento controladas, ahora existe potencial para dispositivos cuánticos escalables y listos para la fundición".

Cómo se convierten los semiconductores en superconductores

El germanio y el silicio, ambos elementos del grupo IV con estructuras cristalinas similares al diamante, ocupan una posición única entre los metales y los aislantes. Su versatilidad y durabilidad los convierten en elementos centrales en la fabricación moderna. Para inducir la superconductividad en estos elementos, los científicos deben alterar cuidadosamente su estructura atómica para aumentar el número de electrones disponibles para la conducción. Estos electrones luego se emparejan y se mueven a través del material sin resistencia, un proceso que es notoriamente difícil de ajustar a escala atómica.

En el nuevo estudio, los investigadores desarrollaron películas de germanio fuertemente infundidas con galio, un elemento más blando comúnmente utilizado en electrónica. Esta técnica, conocida como "dopaje", se ha utilizado durante mucho tiempo para modificar el comportamiento eléctrico de un semiconductor. Normalmente, altos niveles de galio desestabilizan el cristal, impidiendo la superconductividad.

El equipo superó esta limitación utilizando métodos avanzados de rayos X para guiar un proceso refinado que fomenta que los átomos de galio ocupen el lugar de los átomos de germanio en la red cristalina. Aunque esta sustitución distorsiona ligeramente el cristal, preserva su estabilidad general y le permite transportar corriente sin resistencia a 3.5 Kelvin (aproximadamente -453 grados Fahrenheit), confirmando que se había vuelto superconductor.

Herramientas de precisión desbloquean el control atómico

"En lugar de la implantación iónica, se utilizó epitaxia por haz molecular para incorporar con precisión átomos de galio en la red cristalina del germanio", comentó Julian Steele, físico de la Universidad de Queensland y coautor del estudio. "Usar epitaxia, que consiste en el crecimiento de capas cristalinas delgadas, significa que finalmente podemos lograr la precisión estructural necesaria para entender y controlar cómo emerge la superconductividad en estos materiales".

Como señala Shabani, "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".

El estudio también involucró a investigadores de ETH Zurich y de la Universidad Estatal de Ohio, y recibió apoyo parcial de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. Esta colaboración internacional marca un paso clave hacia la integración del comportamiento superconductivo en los mismos materiales que impulsan la electrónica actual, lo que podría transformar el panorama de la computación y la tecnología cuántica.