Zwykły kryształ okazuje się idealny do technologii kwantowej i eksploracji kosmosu
Imponująca wydajność tytanianu strontu w ekstremalnie niskich temperaturach sprawia, że jest on kluczowym materiałem do produkcji zaawansowanych urządzeń kriogenicznych wykorzystywanych w informatyce kwantowej i eksploracji kosmosu.
Nadprzewodnictwo i informatyka kwantowa to dwie dziedziny, które przeniknęły z kręgów teoretycznych do świadomości społecznej. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2025 r. została przyznana za prace nad nadprzewodzącymi obwodami kwantowymi, które mogą napędzać ultra-mocne komputery. Naukowcy zwracają uwagę, że mniej znanym faktem jest to, iż te obiecujące technologie są często możliwe tylko w temperaturach kriogenicznych – bliskich zeru absolutnemu. Niestety, niewiele materiałów jest w stanie wytrzymać tak ekstremalne warunki. Ich cenione właściwości fizyczne zanikają w niskich temperaturach.
Tymczasem zespół inżynierów z Uniwersytetu Stanforda zwrócił uwagę na obiecujący materiał – tytanian strontu (w skrócie STO) – którego właściwości optyczne i mechaniczne nie ulegają pogorszeniu w ekstremalnie niskich temperaturach, a wręcz znacznie się poprawiają, znacznie przewyższając istniejące materiały. Uważają oni, że odkrycia te sugerują, iż STO może stać się podstawowym elementem nowych urządzeń kriogenicznych opartych na świetle i mechanice, które przeniosą informatyka kwantową, eksplorację kosmosu i inne dziedziny na wyższy poziom.
Jak wyjaśniają naukowcy, tytanian strontu ma właściwości elektrooptyczne 40 razy silniejsze niż najczęściej stosowany obecnie materiał elektrooptyczny. Działa on również w temperaturach kriogenicznych, co jest korzystne dla budowy przetworników i przełączników kwantowych, które stanowią obecnie wąskie gardło w technologiach kwantowych.
Efekty fotoniczne STO opisuje się jako „nieliniowe”. Oznacza to, że po przyłożeniu pola elektrycznego STO znacząco zmienia swoje właściwości optyczne i mechaniczne. Nieliniowość optyczna (efekt elektrooptyczny) w STO może być wykorzystana do zmiany częstotliwości, fazy, intensywności i załamania światła w sposób i w stopniu niemożliwym do osiągnięcia w przypadku innych materiałów. Inżynierowie mogą wykorzystać te efekty do tworzenia nowych urządzeń niskotemperaturowych, które nie byłyby możliwe do wykonania w inny sposób.
STO jest również piezoelektryczne, co oznacza, że rozszerza się i kurczy fizycznie pod wpływem pola elektrycznego, otwierając możliwość stworzenia nowych urządzeń elektromechanicznych, które działają również w temperaturach kriogenicznych. Naukowcy zauważyli, że obserwacje te mogą sprawić, że STO będzie szczególnie cenne w zimnych przestrzeniach kosmosu lub w kriogenicznych zbiornikach paliwa rakiet.
Zespół naukowców twierdzi, że STO ma inne praktyczne właściwości, które powinny być atrakcyjne dla inżynierów. Można je syntetyzować. Można modyfikować jego strukturę w celu dostosowania właściwości, podobnie jak w przypadku izotopów tlenu. Można je również przetwarzać przy użyciu konwencjonalnego sprzętu produkcyjnego, a wszystko to w skali płytek półprzewodnikowych. Wszystkie te cechy sugerują ogromny potencjał szerszego zastosowania STO w kriogenicznych aplikacjach kwantowych, takich jak przełączniki do laserów, które umożliwiają komputerom kwantowym przesyłanie lub manipulowanie danymi.
Badania zostały częściowo sfinansowane przez przemysł – firmę Samsung i zespół zajmujący się informatyką kwantową w Google, którzy poszukują właśnie takich nowych materiałów do urządzeń, aby przyspieszyć swoje działania.
Źródło: Stanford University
Czytaj też: Odkrycie naukowców z Uniwersytetu w Houston może zrewolucjonizować elektronikę
Grafika tytułowa: Dani Costelo / Unsplash
