Okazało się, że w temperaturach zbliżonych do zera absolutnego ten niepozorny materiał wykazuje właściwości elektrooptyczne znacznie przewyższające dotychczas znane rozwiązania. Co ciekawe, sami naukowcy byli zaskoczeni skalą tego zjawiska, co pokazuje, jak wiele jeszcze nie wiemy o substancjach, które wydają się nam dobrze znane. Szczegóły opisano w Science.
Tytanian strontu jest znany od dawna, a teraz pomoże w rozwoju technologii kwantowych
Efekty elektrooptyczne tytanianu strontu są aż 40 razy silniejsze niż w przypadku niobianu litu, który dotąd dominował w tej dziedzinie. Testy przeprowadzone w temperaturach kriogenicznych, sięgających 5 stopni Kelvina, czyli ok. -268oC, ujawniły dodatkowo nieliniowości optyczne ok. 20 razy większe od niobianu litu i niemal 3 razy przewyższające tytanian baru, dotychczasowego lidera wśród materiałów kriogenicznych.
Równie istotne jest to, że materiał łączy w sobie kilka pożądanych cech. Jest zarówno elektrooptyczny, jak i piezoelektryczny, co oznacza, że pod wpływem pola elektrycznego zmienia nie tylko swoje właściwości optyczne, ale także fizycznie się rozszerza lub kurczy. W niskich temperaturach staje się najbardziej elektrycznie i piezoelektrycznie strojonym materiałem optycznym, jaki znamy. To właśnie ta kombinacja właściwości czyni go tak atrakcyjnym dla rozwoju przetworników i przełączników kwantowych, które obecnie stanowią poważne ograniczenie w dalszym postępie technologii kwantowych.
Historia tego odkrycia przypomina nieco scenariusz dobrego filmu naukowego. Zespół pod kierunkiem prof. Jeleny Vuckovic z laboratorium Nanoscale and Quantum Photonics Lab poszukiwał materiału o specyficznych cechach w niskich temperaturach. Christopher Anderson z University of Illinois wpadł na pomysł, że wszystkie potrzebne składniki już istnieją w naturze – wystarczyło tylko zastosować je w nowej konfiguracji. Tytanian strontu okazał się idealnym kandydatem, a wyniki testów przerosły najśmielsze oczekiwania.
Przez dziesięciolecia ten materiał traktowany był po macoszemu – jako substytut diamentu w biżuterii czy podłoże do hodowli innych, bardziej wartościowych kryształów. Nikt nie spodziewał się, że w warunkach kriogenicznych okaże się tak wyjątkowy. Co więcej, badacze odkryli sposób na dalsze udoskonalenie jego właściwości. Dodanie zaledwie dwóch neutronów do dokładnie 33 proc. atomów tlenu w krysztale zwiększyło jego strojność czterokrotnie.
W przeciwieństwie do wielu przełomowych odkryć naukowych, tytanian strontu ma tę ogromną przewagę, że jest gotowy do praktycznego zastosowania. Może być syntetyzowany, modyfikowany strukturalnie za pomocą izotopów tlenu i przetwarzany przy użyciu konwencjonalnego sprzętu do produkcji na skalę masową. Oznacza to, że przejście od etapu laboratoryjnego do przemysłowej produkcji nie wymaga budowy całkowicie nowej infrastruktury, co znacznie przyspiesza potencjalne wdrożenie.
Zastosowania tego materiału są niezwykle szerokie i obiecujące. W obliczeniach kwantowych może posłużyć jako podstawa dla przetworników i przełączników, które obecnie hamują rozwój tej technologii. Jego właściwości piezoelektryczne otwierają możliwości tworzenia nowych urządzeń elektromechanicznych działających w ekstremalnie niskich temperaturach. Potencjał sięga również eksploracji kosmosu, gdzie urządzenia muszą funkcjonować w warunkach kriogenicznych, oraz rozwoju internetu kwantowego.
Badania prowadzone przez zespoły ze Stanford i University of Illinois w Urbana-Champaign otrzymały wsparcie finansowe od Departamentu Obrony i Energii USA w ramach programu Q-NEXT. Zaangażowanie takich gigantów jak Samsung i Google Quantum AI wyraźnie pokazuje, że przemysł technologiczny dostrzega realny potencjał komercyjny tego odkrycia.