Κοινός κρύσταλλος αποδείχθηκε ιδανικός για τεχνολογία φωτός σε χαμηλές θερμοκρασίες – Τι έδειξε νέα μελέτη

Η υπεραγωγιμότητα και οι κβαντικοί υπολογιστές είναι δύο τομείς που έχουν περάσει από θεωρητικούς κύκλους στη δημοφιλή συνείδηση. Το Νόμπελ Φυσικής του 2025 απονεμήθηκε για εργασία σε υπεραγωγούς κβαντικούς κυκλώματα που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε υπερ-ισχυρούς υπολογιστές. Ωστόσο, αυτές οι υποσχόμενες τεχνολογίες είναι συχνά δυνατές μόνο σε κρυογενικές θερμοκρασίες – κοντά στο απόλυτο μηδέν. Δυστυχώς, λίγα υλικά αντέχουν σε τέτοιες ακραίες συνθήκες, καθώς οι πολύτιμες φυσικές τους ιδιότητες εξαφανίζονται με το κρύο.

Ετρόντιο τιτανικό (STO) ως νέο υπόδειγμα

Σε ένα νέο άρθρο στο Science, ομάδα μηχανικών του Πανεπιστημίου Stanford αναδεικνύει ένα υποσχόμενο υλικό – το στρόντιο τιτανικό ή STO – όπου οι οπτικές και μηχανικές ιδιότητες όχι μόνο δεν μειώνονται σε ακραίες χαμηλές θερμοκρασίες, αλλά βελτιώνονται σημαντικά, ξεπερνώντας κατά πολύ τα υπάρχοντα υλικά.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το STO θα μπορούσε να γίνει θεμέλιο για νέα φωτονικά και μηχανικά κρυογενικά συστήματα που θα προωθήσουν την κβαντική πληροφορική, την εξερεύνηση του διαστήματος και άλλους τομείς.

Υψηλή απόδοση και διαφοροποιήσεις

Το στρόντιο τιτανικό έχει ηλεκτρο-οπτικά φαινόμενα 40 φορές ισχυρότερα από το πιο χρησιμοποιημένο ηλεκτρο-οπτικό υλικό σήμερα. Επιπλέον, λειτουργεί σε κρυογενικές θερμοκρασίες, γεγονός που είναι χρήσιμο για την κατασκευή κβαντικών μετατροπέων και διακοπτών, που αποτελούν σημεία συμφόρησης στις κβαντικές τεχνολογίες, εξήγησε η Jelena Vuckovic, καθηγήτρια ηλεκτρολόγων μηχανικών και κύρια συγγραφέας της μελέτης.

Τα φωτοονικά φαινόμενα του STO περιγράφονται ως «μη γραμμικά». Όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο, το STO αλλάζει σημαντικά τις οπτικές και μηχανικές ιδιότητές του. Η οπτική μη γραμμικότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να μεταβληθεί η συχνότητα, η φάση, η ένταση και η καμπύλωση του φωτός με τρόπους και σε βαθμούς που άλλα υλικά δεν μπορούν. Αυτά τα φαινόμενα επιτρέπουν τη δημιουργία νέων συσκευών χαμηλής θερμοκρασίας που διαφορετικά δεν θα ήταν δυνατές.

Το STO είναι επίσης πιεζοηλεκτρικό, δηλαδή διαστέλλεται και συστέλλεται όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο, ανοίγοντας δυνατότητες για νέες ηλεκτρομηχανικές συσκευές που λειτουργούν σε κρυογενικές θερμοκρασίες. Οι ερευνητές τόνισαν ότι αυτές οι παρατηρήσεις καθιστούν το STO ιδιαίτερα πολύτιμο στους ψυχρούς χώρους του διαστήματος ή στις δεξαμενές κρυογόνου καυσίμου πυραύλων.

Παρατηρήσεις και πειράματα

Σε εργαστηριακές δοκιμές στους 5 Κ (-450°F), παρατηρήθηκαν μη γραμμικότητες 20 φορές μεγαλύτερες από το καλύτερο γνωστό μη γραμμικό οπτικό υλικό, το νιοβικό λίθιο, και σχεδόν τριπλάσιες από το προηγούμενο καλύτερο κρυογενικό υλικό, το βαριούχο τιτανικό. Σε περαιτέρω πειράματα, η αντικατάσταση οξυγόνου με ισότοπα ώθησε το STO προς μια κρίσιμη κβαντική κατάσταση, με ακόμα μεγαλύτερη απόδοση. Όπως σημείωσε ο Christopher Anderson, με την προσθήκη μόλις δύο νετρονίων στο 33% των ατόμων οξυγόνου, η ευελιξία αυξήθηκε τέσσερις φορές.

Το STO μπορεί να συντεθεί, να τροποποιηθεί δομικά για βελτίωση των ιδιοτήτων του και να επεξεργαστεί με συμβατικό εξοπλισμό κατασκευής σε επίπεδο wafer. Αυτά τα χαρακτηριστικά υποδεικνύουν μεγάλο δυναμικό για ευρύτερη χρήση σε κρυογενικές κβαντικές εφαρμογές, όπως διακόπτες για λέιζερ που επιτρέπουν σε κβαντικούς υπολογιστές να μεταδίδουν ή να επεξεργάζονται δεδομένα.

Μέλλον και προοπτικές

Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από τη βιομηχανία – Samsung και την ομάδα κβαντικών υπολογιστών της Google, που αναζητούν νέα υλικά για συσκευές που θα προωθήσουν τις προσπάθειές τους. Η ομάδα στοχεύει τώρα στη δημιουργία νέων κρυογενικών συσκευών βασισμένων στο στρόντιο τιτανικό.

Όπως είπε ο Anderson:

«Βρήκαμε αυτό το υλικό στο ράφι. Το χρησιμοποιήσαμε και ήταν εκπληκτικό. Καταλάβαμε γιατί ήταν καλό. Έπειτα-το κερασάκι στην τούρτα-ξέραμε πώς να το κάνουμε καλύτερο και δημιουργήσαμε το καλύτερο υλικό στον κόσμο για αυτές τις εφαρμογές».