Herbert Kroemer: O físico que projetou dispositivos impossíveis

Em 1963, trabalhando na Varian Associates em Palo Alto, Herbert Kroemer propôs um laser feito de camadas intercaladas de diferentes semicondutores. Ninguém conseguia construí-lo. As técnicas de crescimento de cristais necessárias não existiam e não existiriam por anos. Ele propôs mesmo assim. Seis décadas depois, o laser de dupla heteroestrutura é a fonte de luz dentro de redes de fibra ótica, leitores de CD e, como disse o seu colega da UCSB John Bowers, o dispositivo que "possibilitou a Internet, transformando o mundo".

De Weimar a Göttingen

Nasceu a 25 de agosto de 1928 em Weimar, num lar sem qualquer tradição académica: o seu pai era funcionário público, a sua mãe dona de casa, e nenhum dos dois tinha terminado o ensino secundário. A Alemanha colapsou durante a sua adolescência, e ele emergiu dela para a física. Na Universidade de Göttingen, obteve um Diplom em 1951 e um doutoramento em física teórica em 1952, escrevendo uma dissertação sobre efeitos de eletrões quentes em transístores — um assunto que tinha apenas cinco anos quando o escolheu, tendo o próprio transístor sido anunciado em 1947. Foi o primeiro sinal de um hábito de toda a vida: ligar-se a tecnologias antes de estas se terem consolidado.

Uma década inquieta na indústria

Os vinte e trinta anos de Kroemer foram passados a mover-se entre laboratórios industriais em dois continentes, um padrão que parece disperso até se notar que ele continuou a trabalhar na mesma ideia. Começou em 1952 no laboratório de investigação de telecomunicações do Serviço Postal Alemão em Darmstadt. Em meados da década de 1950, passou para os Laboratórios RCA em Princeton, Nova Jérsia. De 1957 a 1959, esteve no laboratório de investigação da Philips em Hamburgo. Em 1959, mudou-se para a Varian Associates em Palo Alto e permaneceu lá durante a década que produziu o seu trabalho mais consequente.

Pelo caminho, inventou o transístor de deriva, um dispositivo que usava um perfil de impurezas graduado para empurrar os portadores através da base mais rapidamente do que a difusão permitia sozinha. Foi o início de uma ideia que ele dedicaria uma carreira a elaborar: que se podia projetar a paisagem interna de um semicondutor para fazer os eletrões comportarem-se de formas que a natureza não tinha arranjado.

O transístor que precisava de dois materiais

Na RCA, Kroemer desenvolveu o conceito do transístor bipolar de heteroestrutura. Os dispositivos semicondutores convencionais são construídos a partir de um único material — silício, dopado de forma diferente em regiões diferentes. A proposta de Kroemer era juntar dois semicondutores diferentes, de modo a que a mudança abrupta na banda proibida na interface atuasse por si própria como uma força sobre os portadores, um campo quase-elétrico sem necessidade de voltagem externa. Em meados da década de 1950, identificou as vantagens de desempenho específicas que isto proporcionaria. O argumento era teoricamente limpo e praticamente prematuro; a ciência dos materiais necessária para fazer junções atomicamente nítidas entre cristais diferentes estava a décadas de distância.

Um laser que ninguém conseguia construir

A proposta de dupla heteroestrutura de 1963 foi a mesma lógica aplicada à luz. Confinar tanto os portadores como os fotões numa camada ativa fina entre duas camadas de revestimento de banda proibida mais larga, argumentou Kroemer, e obtém-se um laser que pode funcionar continuamente à temperatura ambiente em vez de em impulsos criogénicos. Foi o princípio de design que tornou o laser semicondutor um objeto utilizável em vez de uma novidade de laboratório. Zhores Alferov, trabalhando independentemente em Leninegrado, perseguiu o mesmo território; em 2000, os dois homens partilharam o Prémio Nobel da Física "pelo desenvolvimento de heteroestruturas semicondutoras usadas em optoeletrónica e de alta velocidade".

Em 1964, Kroemer publicou a primeira explicação correta do efeito Gunn, o mecanismo por trás das oscilações elétricas de alta frequência em certos semicondutores — outro caso de chegar à física antes de o campo ter concordado sobre a questão.

Santa Bárbara e a aposta no composto

Entrou no meio académico em 1968 como professor de engenharia elétrica na Universidade do Colorado em Boulder, e em 1976 mudou-se para a Universidade da Califórnia, Santa Bárbara, onde ocupou a Cátedra Donald W. Whittier em Engenharia Elétrica com uma nomeação conjunta em Materiais. Lá, fez uma aposta institucional tão contrária quanto as suas apostas científicas: persuadiu um departamento a investir em semicondutores compostos — arsenieto de gálio e os seus parentes — em vez do silício que dominava tudo. Foi o primeiro membro do que se tornou um grupo líder mundial. Também se tornou experimentalista tarde, sendo pioneiro na epitaxia de feixe molecular na UCSB e aplicando-a a sistemas de materiais que ninguém tinha tentado, construindo finalmente as interfaces atomicamente precisas que a sua teoria dos anos 1950 tinha assumido. Reformou-se em 2012.

Professor, autor de livros didáticos, cavalheiro

Kroemer escreveu dois livros didáticos de clareza invulgar: Thermal Physics, cuja segunda edição produziu com Charles Kittel em 1980, e Quantum Mechanics for Engineering, Materials Science and Applied Physics. Os colegas lembravam-se de um homem com um sentido de humor aguçado que falava de física com um visitante da escola primária tão facilmente como com um estudante de pós-graduação, e que fazia perguntas difíceis em seminários sem nunca fazer a resposta parecer um veredito. O reitor Umesh Mishra comparou-o a um guru no sentido indiano — alguém que transmite "moral, ética, liderança, graciosidade e generosidade" juntamente com o conteúdo técnico. Shuji Nakamura creditou o conceito de heteroestrutura de Kroemer como tendo possibilitado a sua própria invenção do LED azul. Kroemer tornou-se cidadão americano naturalizado em 2003 e era um ateu franco: a religião, dizia ele, era "apenas um desejo".

Por que Herbert é chamado de génio

A faculdade distintiva aqui é a física de dispositivos antecipatória: a capacidade de raciocinar corretamente sobre o comportamento de uma estrutura que ainda não pode ser fabricada, e confiar no raciocínio durante vinte anos enquanto todos os outros esperam por provas. Kroemer descreveu a disposição ele próprio, sem falsa modéstia e sem reivindicar brilhantismo: "Desde o início, sempre me interessei por coisas que estavam várias gerações à frente do que as pessoas podiam fazer. Pequenos passos não me interessavam realmente. Interessavam-me os grandes passos." O seu conselho aos colegas mais jovens seguia-se disso — trabalhe no que lhe interessa, ignore aplicações, seja oportunista.

O que o registo realmente apoia é o julgamento em vez do poder de processamento bruto. Três vezes — o transístor de heterojunção, o laser de dupla heteroestrutura, o efeito Gunn — ele identificou o princípio físico correto anos antes da comunidade e antes da tecnologia. Essa é uma taxa de sucesso rara, e é a razão pela qual o comité Nobel, o júri da Medalha de Honra do IEEE em 2002, e o estado alemão com a sua Grã-Cruz da Ordem de Mérito todos acabaram por concordar.

O contra-argumento é honesto e vale a pena declarar. Kroemer não construiu o laser pelo qual é famoso; o grupo de Alferov e os laboratórios industriais fizeram o crescimento de cristais que o tornou real, e Alferov partilhou o prémio por uma boa razão. Ideias que não podem ser testadas durante duas décadas são baratas de gerar e caras de validar, e o registo de Kroemer inclui propostas que só importaram porque outros tiveram a paciência de as realizar. Os colegas recorreram mais vezes a "cavalheiro" e "guru" do que a "génio". O veredito justo é que ele tinha uma intuição física invulgarmente fiável e a coragem de a publicar cedo.

Legado

Cada ligação de fibra ótica, amplificador de potência de telemóvel, transmissor de satélite e lâmpada LED funciona com base no princípio que Kroemer defendeu quando ninguém o conseguia implementar: que projetar a paisagem da banda proibida dentro de um dispositivo é mais poderoso do que projetar o dispositivo em torno de um único material. Morreu a 8 de março de 2024 em Santa Bárbara, aos 95 anos, tendo vivido o suficiente para ver um mundo ser construído a partir das suas sanduíches.