Криогенные температуры, близкие к абсолютному нулю, являются ареной для развития таких передовых технологий, как сверхпроводимость и квантовые вычисления. Нобелевская премия по физике 2025 года, присужденная за прорывы в сверхпроводящих квантовых схемах, подчеркивает их потенциал. Однако использование этих технологий сопряжено с серьезной проблемой: большинство материалов теряют свои ключевые свойства при столь экстремальном холоде. Поиск веществ, способных эффективно работать в таких условиях, долгое время оставался одним из главных препятствий для ученых и инженеров.
Инженеры Стэндфордского университета совершили значительный прорыв, обнаружив уникальные свойства титаната стронция (STO) – материала, который не только сохраняет, но и улучшает свои оптические и механические характеристики в условиях глубокого охлаждения. Вместо ухудшения, его возможности при криогенных температурах возрастают, демонстрируя превосходство над всеми известными аналогичными материалами. Это открытие, детально описанное в журнале Science, может открыть путь к созданию нового поколения световых и механических криогенных устройств, способных ускорить развитие квантовых вычислений, исследования космоса и других высокотехнологичных областей.
Как отмечает доктор наук Йелена Вучкович, профессор электротехники Стэнфорда и старший автор исследования, титанат стронция обладает электрооптическими эффектами в 40 раз более сильными, чем самый распространенный сегодня электрооптический материал. «Это позволяет ему функционировать при криогенных температурах, что крайне важно для создания квантовых преобразователей и переключателей, которые сейчас являются узкими местами в квантовых технологиях», – подчеркивает Вучкович.
Необычное нелинейное оптическое поведение STO проявляется в том, что при приложении электрического поля его оптические и механические свойства резко меняются. Этот электрооптический эффект дает ученым беспрецедентные возможности для регулирования частоты, интенсивности, фазы и направления света, что недоступно для других материалов. Такая универсальность может привести к появлению совершенно новых типов низкотемпературных устройств.
Помимо оптических свойств, STO демонстрирует пьезоэлектрический эффект: он физически расширяется и сжимается в ответ на электрические поля. Это делает его идеальным кандидатом для разработки новых электромеханических компонентов, эффективно работающих в условиях экстремального холода. Исследователи предполагают, что эти характеристики будут особенно ценны для применения в вакууме космоса или в криогенных топливных системах ракет. Кристофер Андерсон, соавтор статьи и ныне преподаватель в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне, отмечает: «При низких температурах титанат стронция является не только самым электрооптически настраиваемым материалом, но и самым пьезоэлектрически настраиваемым из всех известных нам».
Примечательно, что титанат стронция – не новооткрытое вещество. Его изучали десятилетиями, и он широко доступен и недорог. «STO не является чем-то особенным. Он не редок. Он не дорог», – подтверждает Джованни Скури, соавтор и постдокторант в лаборатории Вучкович. Он добавляет, что материал часто использовался в качестве имитации бриллиантов в ювелирных изделиях или подложки для выращивания других, более ценных материалов. Несмотря на свою «текстбучную» природу, он демонстрирует исключительную производительность в криогенном контексте.
Выбор STO для исследования был основан на глубоком понимании характеристик, определяющих высокую настраиваемость материалов. «Мы знали, какие ингредиенты необходимы для создания высоконастраиваемого материала. Мы обнаружили, что эти ингредиенты уже существуют в природе, и просто использовали их в новом рецепте. STO был очевидным выбором», – объясняет Андерсон. «Когда мы его опробовали, он, к нашему удивлению, идеально соответствовал нашим ожиданиям». Разработанная исследователями методология, по словам Скури, может также помочь в поиске или усовершенствовании других нелинейных материалов для различных условий эксплуатации.
При испытаниях при температуре 5 Кельвинов (около –268 °C) производительность STO поразила ученых. Его нелинейный оптический отклик оказался в 20 раз выше, чем у ниобата лития – ведущего нелинейного оптического материала – и почти в три раза превзошел титанат бария, прежний криогенный эталон. Чтобы еще больше усилить его свойства, команда заменила некоторые атомы кислорода в кристалле на более тяжелые изотопы. Эта корректировка приблизила STO к состоянию, называемому квантовой критичностью, что позволило достичь еще большей настраиваемости.
«Добавление всего двух нейтронов ровно к 33 процентам атомов кислорода в материале увеличило его настраиваемость в четыре раза», – говорит Андерсон. «Мы точно настроили наш «рецепт», чтобы получить максимально возможную производительность».
По мнению исследовательской группы, STO также обладает практическими преимуществами, которые делают его привлекательным для инженеров. Он может быть синтезирован, структурно модифицирован и изготовлен в масштабе кремниевых пластин с использованием существующего полупроводникового оборудования. Эти особенности делают его подходящим для создания квантовых устройств нового поколения, таких как лазерные переключатели, используемые для контроля и передачи квантовой информации.
Исследование получило частичное финансирование от Samsung Electronics и подразделения Google по квантовым вычислениям, обе компании активно ищут материалы для продвижения своего квантового оборудования. Следующая цель команды – разработать полностью функциональные криогенные устройства на основе уникальных свойств STO. «Мы нашли этот материал «на полке». Мы использовали его, и он оказался потрясающим. Мы поняли, почему он хорош. А затем, вишенка на торте – мы знали, как сделать его еще лучше, добавили этот «секретный ингредиент» и создали лучший в мире материал для таких применений», – подытожил Андерсон.
Исследование также было поддержано грантом Vannevar Bush Faculty Fellowship через Министерство обороны США и программой Q-NEXT Министерства энергетики. Среди участников работы – Аарон Чан и Лу Ли из Мичиганского университета; Сунджун Ын, Александр Д. Уайт, Гён Хо Ан, Амир Сафави-Наэини и Каспер Ван Гассе из Стэнфордской лаборатории E. L. Ginzton; и Кристин Джилли из Стэнфордских общих нанообъектов.
