Pesquisadores de Tóquio e da NYU criam junção controlada por tensão com efeito de diodo supercondutor

Um minúsculo canal semicondutor dá à corrente supercondutora uma direção preferencial

Pesquisadores da Universidade de Tóquio e da Universidade de Nova York (NYU) construíram um dispositivo semicondutor que conduz corrente sem resistência elétrica com mais facilidade em uma direção do que na outra. O dispositivo atingiu eficiência máxima de 20% como diodo supercondutor, combinando controle elétrico e efeitos magnéticos em um canal de apenas 100 nanômetros de comprimento.

Os resultados, publicados na revista Communications Materials em 5 de novembro de 2026, vêm de experimentos realizados a 0,03 kelvin, uma temperatura próxima do zero absoluto. Um dispositivo sem eletrodo de porta conduziu uma corrente supercondutora de até 3,00 microampères. Nos dispositivos com porta, a aplicação de uma tensão negativa reduziu a corrente máxima que podia fluir sem resistência.

A equipe da Universidade de Tóquio incluiu o pesquisador de doutorado Hirotaka Hara, o professor associado Le Duc Anh e o professor Masaaki Tanaka, em colaboração com pesquisadores da NYU, entre eles o pesquisador de doutorado Lukas Baker e o professor Javad Shabani. A estrutura combina alumínio, arseneto de índio e antimoneto de gálio com ferro, reunindo supercondutividade e magnetismo no mesmo caminho de corrente do semicondutor.

O resultado imediato é um componente básico de laboratório para controlar a corrente supercondutora. O comunicado de 5 de novembro da Universidade de Tóquio aponta possíveis aplicações em dispositivos eletrônicos que consomem menos energia e em futuros circuitos quânticos. O trabalho está atualmente na etapa de investigar os princípios de funcionamento e aprimorar o controle.

O que os pesquisadores construíram

O dispositivo é uma junção Josephson lateral com um canal semicondutor. Uma junção Josephson conecta dois eletrodos supercondutores por meio de um material intermediário curto. Efeitos quânticos permitem que a corrente atravesse esse material sem gerar tensão, mesmo que ele não se torne supercondutor por conta própria.

Neste caso, dois eletrodos de alumínio ficam sobre uma estrutura semicondutora, com um canal exposto de arseneto de índio entre eles. O canal tem aproximadamente 100 nanômetros de comprimento e 5 micrômetros de largura. Portanto, sua largura é cerca de 50 vezes maior que seu comprimento.

O arseneto de índio fornece o principal caminho para a corrente elétrica. Abaixo dele fica o antimoneto de gálio com ferro, indicado por (Ga,Fe)Sb, que exerce influência magnética. Os eletrodos de alumínio fornecem a influência supercondutora. Um eletrodo de porta sobre o canal permite que os pesquisadores alterem suas propriedades elétricas por meio da tensão.

A descrição como transistor se refere a esse controle pela porta. Mais precisamente, o artigo na Communications Materials descreve junções Josephson laterais feitas de uma estrutura de Al/InAs/(Ga,Fe)Sb. O dispositivo incorpora em uma junção supercondutora o controle por tensão conhecido dos transistores semicondutores.

Como as camadas vizinhas compartilham suas propriedades

O alumínio se torna supercondutor quando resfriado o suficiente. Nesse estado, os elétrons formam pares que podem conduzir corrente sem resistência elétrica. O magnetismo, por sua vez, envolve o alinhamento das minúsculas propriedades magnéticas dos elétrons, conhecidas como spins. A supercondutividade convencional e o ferromagnetismo tendem a se opor, o que dificulta combiná-los.

Os pesquisadores recorreram a efeitos de proximidade para levar as duas influências ao arseneto de índio. Um efeito de proximidade ocorre quando o contato com um material altera o comportamento dos elétrons de um material vizinho. O alumínio induz comportamento supercondutor no canal, enquanto o semicondutor magnético abaixo dele pode influenciar os mesmos elétrons.

A camada magnética continha 14,6% de ferro e tinha uma temperatura de Curie estimada em cerca de 25 kelvin. A temperatura de Curie é o ponto acima do qual um material perde sua ordenação ferromagnética. Nas temperaturas muito mais baixas usadas nas medições de supercondutividade, a camada de (Ga,Fe)Sb se torna eletricamente isolante, de modo que a corrente flui principalmente pelo arseneto de índio.

Essa disposição dá funções distintas às camadas: o arseneto de índio conduz, o alumínio permite o transporte supercondutor e o semicondutor com ferro exerce influência magnética. As interfaces entre elas são essenciais para que essas funções atuem em conjunto.

Por que interfaces limpas eram importantes

A equipe cultivou a estrutura por epitaxia de feixe molecular, método que deposita camadas cuidadosamente controladas no vácuo. Todas as camadas foram produzidas sem exposição ao ar, reduzindo a contaminação nas interfaces entre os materiais.

A estrutura semicondutora incluía uma camada de arseneto de índio de 15 nanômetros de espessura sobre uma camada magnética de 20 nanômetros. Uma fina camada de cobertura de arseneto de índio e gálio, com 5 nanômetros de espessura, ajudou a formar a interface com o alumínio. O filme de alumínio tinha 26 nanômetros de espessura.

As camadas semicondutoras foram cultivadas a 250 graus Celsius para limitar a separação do ferro no material magnético. Em seguida, o alumínio foi depositado a uma temperatura abaixo de menos 40 graus Celsius. Essa sequência permitiu que a equipe preparasse os diferentes materiais em condições adequadas para cada um.

Imagens de microscopia eletrônica mostraram uma interface limpa e bem definida, em escala atômica, entre o alumínio e a camada de cobertura semicondutora. O artigo também registra desordem local ou defeitos nessa camada. Ainda assim, as medições elétricas mostraram que a interface permitia a passagem eficaz do transporte supercondutor para o semicondutor.

A tensão define o limite da corrente sem resistência

Os experimentos mediram quanta corrente a junção podia conduzir antes do aparecimento de resistência elétrica. Esse limite superior é chamado de corrente crítica. Abaixo dele, uma junção supercondutora pode conduzir corrente sem gerar calor por resistência elétrica; acima dele, surge uma tensão.

A 30 milikelvin, o equivalente a 0,03 kelvin, uma junção sem porta atingiu uma corrente crítica de 3,00 microampères. Em seguida, os pesquisadores testaram junções com eletrodo de porta. Tornar a tensão da porta mais negativa retirou elétrons do canal de arseneto de índio e reduziu sua corrente crítica.

Assim, a porta ajustava quanta corrente supercondutora o canal podia suportar. O artigo também relata que a corrente crítica se estabilizava sob tensões positivas na porta, enquanto a corrente de fuga pela porta permanecia abaixo de aproximadamente 10 picoampères em toda a faixa de tensão medida.

A equipe encontrou outras evidências de acoplamento entre o alumínio e o semicondutor por meio de reflexões múltiplas de Andreev. São conversões repetidas entre excitações de elétrons e lacunas em uma interface supercondutora. Seus sinais apareceram nas medições elétricas até a sexta ordem, ajudando os pesquisadores a avaliar com que facilidade o transporte supercondutor atravessava as interfaces.

Essas medições indicaram um gap supercondutor de 171 microeletronvolts. O gap é uma escala de energia associada aos elétrons emparelhados que sustentam a supercondutividade. Em conjunto, as medições das reflexões e a resposta à tensão da porta mostram como o semicondutor conduz corrente sob a influência dos materiais supercondutores vizinhos.

O que significa a eficiência de 20% do diodo

O efeito de diodo apareceu quando os pesquisadores aplicaram um campo magnético perpendicular à junção. A corrente crítica passou então a depender do sentido em que a corrente fluía. Uma direção podia suportar uma corrente maior sem resistência do que a direção oposta.

Para correntes entre esses dois limites, a junção permanecia supercondutora em uma direção e apresentava resistência na outra. Abaixo de ambos os limites, ainda era possível conduzir corrente supercondutora nos dois sentidos. Portanto, o efeito direcional ocorre dentro de uma faixa específica de corrente.

Os pesquisadores calcularam a eficiência do diodo subtraindo o módulo da menor corrente crítica do módulo da maior e, em seguida, dividindo o resultado pela soma das duas. O valor máximo foi de 20%, atingido próximo de um mínimo no padrão de interferência magnética da junção.

Essa definição ajuda a visualizar o resultado. Uma eficiência de 20% corresponde a uma corrente crítica maior 1,5 vez superior à menor. Como exemplo, limites de 1,5 e 1,0 nas mesmas unidades de corrente resultariam em uma diferença de 0,5 dividida por uma soma de 2,5, ou 20%. Esses valores ilustrativos explicam a proporção; o máximo medido e relatado foi de 20%.

O valor da eficiência descreve a assimetria entre os sentidos da corrente. O máximo ocorreu próximo de um mínimo do padrão de interferência, onde o transporte supercondutor era reduzido pelo campo magnético aplicado. Portanto, o maior contraste direcional e a maior capacidade de corrente ocorreram em condições de funcionamento diferentes.

O histórico magnético altera a resposta

A junção também respondia de maneira diferente dependendo de o campo magnético externo estar aumentando ou diminuindo. O campo no qual a corrente supercondutora atingia seu máximo mudava conforme o sentido da varredura do campo. Os pesquisadores observaram esse comportamento repetidamente em vários dispositivos, inclusive em junções com e sem porta.

Essa dependência das condições anteriores é chamada de histerese. Materiais magnéticos frequentemente apresentam esse comportamento porque o alinhamento magnético interno retém parte da memória de um campo aplicado anteriormente. Nessas junções, os deslocamentos repetidos são compatíveis com uma contribuição magnética da camada vizinha de (Ga,Fe)Sb para o transporte supercondutor.

A corrente variava com o campo magnético em uma série de picos e mínimos conhecida como padrão de interferência de Fraunhofer. Esses padrões surgem porque a corrente supercondutora se comporta como uma onda quântica: as contribuições de diferentes partes da junção podem se reforçar ou se enfraquecer à medida que o campo magnético muda.

Os padrões medidos continham picos irregulares, saltos abruptos de fluxo magnético e diferenças entre sentidos opostos da corrente. Próximo de um dos máximos, o período de oscilação era de 0,14 militesla, em comparação com uma estimativa geométrica de 1,13 militesla. A partir dessa diferença, o artigo calcula um fator efetivo de concentração do fluxo magnético de 8,2.

Os autores apontam vários fatores que podem contribuir para essa concentração do fluxo magnético, entre eles a resposta dos eletrodos de alumínio, os campos magnéticos da camada subjacente e distribuições irregulares de magnetismo ou corrente. O padrão geral justifica estudar o dispositivo como um sistema acoplado magnético e supercondutor.

Os pesquisadores ainda investigam por onde a corrente flui

Os pesquisadores também analisaram se a corrente estava distribuída uniformemente pelo canal. Aplicaram uma análise matemática a uma região do padrão de interferência sem saltos abruptos de fluxo magnético e encontraram uma tendência de concentração da corrente supercondutora perto das bordas físicas.

Imagens de microscópio não mostraram encurtamento visível da junção próximo às bordas. Os autores discutem o transporte ao longo das bordas do canal como uma possível contribuição para a resposta magnética incomum e o comportamento direcional.

O equilíbrio exato entre os mecanismos ainda não foi esclarecido. O artigo discute a influência magnética da camada inferior, interações que relacionam o movimento dos elétrons ao spin e a possibilidade de transporte próximo às bordas. Domínios magnéticos, fluxo aprisionado e variações introduzidas durante a fabricação também podem afetar partes do padrão de interferência.

Para projetar futuros dispositivos, é importante compreender esse equilíbrio em termos concretos. Os engenheiros precisariam saber quais propriedades dos materiais e características geométricas definem de modo confiável o sentido preferencial da corrente, a faixa de corrente utilizável e a resposta à tensão da porta.

O que muda para os futuros circuitos supercondutores

Junções Josephson são componentes centrais dos circuitos quânticos supercondutores. Substituir uma barreira simples por um semicondutor permite ajustar eletricamente a junção, enquanto a presença de um semicondutor magnético próximo oferece outra maneira de influenciar seu comportamento.

O trabalho das equipes de Tóquio e da NYU combina esses recursos em uma única estrutura: o controle pela porta altera a corrente crítica, e os efeitos magnéticos modificam a resposta da corrente e sua preferência direcional. Essa combinação oferece uma plataforma de materiais para investigar elementos de circuito com comportamento mais ajustável.

A Universidade de Tóquio aponta como objetivos de longo prazo dispositivos eletrônicos com menor consumo de energia e computadores quânticos mais resistentes a erros. As medições demonstradas foram feitas em junções individuais que operam em temperaturas extremamente baixas. O resfriamento continua sendo um requisito prático, além da vantagem de a corrente fluir sem resistência.

Os pesquisadores planejam aprimorar a camada magnética e investigar mais de perto como a tensão e o magnetismo atuam sobre a corrente supercondutora. A próxima tarefa científica é transformar os efeitos observados em um controle mais previsível, contribuindo para o projeto e a fabricação de circuitos quânticos mais variados. Não foi informado um cronograma para um dispositivo computacional prático.

Principais pontos

• A Universidade de Tóquio e a NYU desenvolveram junções Josephson laterais que combinam alumínio, arseneto de índio e um semicondutor magnético com ferro.
• O canal tinha cerca de 100 nanômetros de comprimento e 5 micrômetros de largura; os experimentos foram realizados a 0,03 kelvin.
• Uma junção sem porta conduziu até 3,00 microampères sem resistência; a tensão negativa na porta reduziu a corrente crítica nos dispositivos com porta.
• Sob um campo magnético perpendicular, a eficiência máxima do diodo supercondutor chegou a 20% perto de um mínimo de interferência.
• A histerese observada repetidamente em vários dispositivos foi compatível com uma influência magnética sobre o transporte supercondutor.
• Os resultados foram publicados em 5 de novembro de 2026. Trabalhos futuros investigarão os mecanismos e aprimorarão o controle para possíveis circuitos quânticos.