Semicondutores são conectados a supercondutores pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/07/2021

A monocamada de dissulfeto de molibdênio (MoS2) é ensanduichada entre duas camadas protetoras de nitreto de boro (hBN), com contatos de rênio-molibdênio (MoRe) estendendo-se através da camada superior. Uma camada de grafeno (gate) é usada para o controle elétrico.
[Imagem: Mehdi Ramezani/University of Basel]

Junção de semicondutor com supercondutor

Semicondutores e supercondutores finalmente uniram-se em um contato direto, abrindo caminho não apenas para novas tecnologias, mas também para explorações em busca de fenômenos físicos ainda desconhecidos.

Os semicondutores, cujo exemplo mais conhecido é o silício, estão na base de toda a tecnologia eletrônica e computacional, enquanto os supercondutores são os materiais que conduzem eletricidade sem perdas, sendo a base dos magnetos das máquinas de ressonância magnética e de aceleradores de partículas como o LHC, mas também de alguns dos computadores quânticos mais avançados.

O interesse na conexão desses dois tipos de materiais começa pela possibilidade de controlar e interfacear os computadores quânticos com os computadores tradicionais, passa pela possibilidade de fazer computação quântica com transistores comuns e vai até a busca pela compreensão dos supercondutores, um entendimento que ainda nos falta para descobrir como fazer supercondutores que funcionem a temperatura ambiente.

Rumo a uma física desconhecida

Como se todas aquelas possibilidades citadas acima não fossem o suficiente, há ainda mais do que isso: Uma das principais razões pelas quais essa combinação de semicondutor e supercondutor é tão interessante é que os físicos acreditam que esses componentes híbridos exibam novas propriedades e fenômenos físicos desconhecidos.

"Em um supercondutor, os elétrons se organizam em pares, como parceiros em uma dança - com consequências estranhas e maravilhosas, como o fluxo da corrente elétrica sem resistência," explica o professor Andreas Baumgartner, da Universidade da Basileia, na Suíça.

"No dissulfeto de molibdênio semicondutor, por outro lado, os elétrons executam uma dança completamente diferente, uma estranha rotina solo que também incorpora seus momentos magnéticos. Agora gostaríamos de descobrir em quais danças novas e exóticas os elétrons concordam se combinarmos esses materiais," detalhou ele.

De fato, as medições dos supercondutores mostram que, nas temperaturas ultrafrias que esses materiais funcionam, não há espaço para elétrons em voo solo, mas ninguém detectou as duplas supercondutoras, conhecidas como pares de Cooper, em semicondutores.

A pergunta que se coloca é então como os elétrons se comportarão nessa interface entre um semicondutor e um supercondutor, conhecida como heterojunção. "O forte acoplamento é um elemento-chave nos novos e excitantes fenômenos físicos que esperamos ver em tais heteroestruturas de van der Waals, mas [isso é algo que] nunca fomos capazes de demonstrar," acrescenta o pesquisador Mehdi Ramezani.

Micrografia do componente híbrido real.
[Imagem: Mehdi Ramezani et al. - 10.1021/acs.nanolett.1c00615]

Heterojunção semicondutor-supercondutor

A fabricação do novo componente híbrido semi-super consistiu na montagem de um sanduíche feito de diferentes materiais.

Isso exigiu um grande número de etapas diferentes, com todos os cuidados necessários para evitar contaminações em cada uma delas, uma vez que quaisquer impurezas prejudicariam seriamente o transporte de elétrons, atrapalhando o surgimento justamente dos fenômenos que se pretende observar.

Para proteger o semicondutor - que tem uma única camada de átomos, como o grafeno - os pesquisadores acomodaram essa monocamada de molibdenita (dissulfeto de molibdênio) entre duas camadas também atomicamente finas de nitreto de boro, através das quais eles já haviam gravado os contatos verticalmente. A seguir, uma fina camada de rênio-molibdênio foi depositada como material de contato - esse material retém suas propriedades supercondutoras mesmo na presença de fortes campos magnéticos.

Finalmente, trabalhando sob uma atmosfera protetora de nitrogênio, os pesquisadores empilharam a camada de nitreto de boro sobre a camada de molibdenita e combinaram a parte inferior com uma camada adicional de nitreto de boro, bem como uma camada de grafeno para controle elétrico. Com a heteroestrutura pronta, ela foi então depositada sobre uma pastilha de silício e dióxido de silício, tornando-se um componente monolítico que pode ser usado em inúmeros experimentos.

A equipe já está trabalhando na montagem dos experimentos para observar o que surge nessa interface tão promissora.

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