- 斯坦福大學的工程師發現了一種非凡的材料——鈦酸鍶（STO），它在極冷的條件下表現得更好。在冰凍溫度下其光學和機械性能不但沒有減弱，反而得到改善。
- STO 的性能優於在低溫環境下測試的所有同類材料。這揭示了強大的力量、穩定性和可定制性。
- 其獨特的功能可以加速量子計算、激光系統和太空探索的進步。這需要在冰凍條件下具有高性能。
超導和量子計算已經從理論物理轉向現實世界的創新。 2025 年諾貝爾物理學獎旨在表彰超導量子電路方面的進步，這些進步可能會催生超強大的計算機。然而，其中許多技術只能在低溫下運行。 （接近絕對零），材料將在很大程度上失去其定義屬性。尋找在極冷條件下工作的材料長期以來一直是科學的最大障礙之一。
水晶可以抵禦嚴寒
以新的方式 科學 斯坦福大學的工程師報告了鈦酸鍶 (STO) 的進展，這種材料不僅能保持冰凍條件下的視覺和機械性能，而且還能提高視覺和機械性能。顯然，它並沒有惡化，而是變得比其他材料更有效率。研究人員相信，這一發現可能為新型機械和光學冷凍裝置打開大門。推動量子計算太空探索和其他先進技術
“鈦酸鍶的電光效應比當今最常用的電光材料強 40 倍。”該研究的資深作者、斯坦福大學電氣工程教授 Jelena Vuckovic 解釋道，“它不僅可以在低溫下工作，而且對於構建當前量子技術的瓶頸量子傳感器和開關很有用。”
突破性能極限
STO的光學行為是“非線性的”，這意味著當施加電場時，它的光學和機械性能會發生很大的變化。電光效應使科學家能夠以其他材料無法實現的方式調節光的頻率、強度、相位和方向。這種多功能性可以實現全新類型的低溫設備。
STO 也是壓電的。這意味著它會響應電場而物理膨脹和收縮。這使其成為開發新機電組件的理想選擇。研究人員表示，這些功能對於在太空真空或火箭低溫燃料系統中使用特別有價值。
“在低溫下，鈦酸鍶不僅是我們所知的電可調性最強的光學材料。它也是可調性最強的壓電材料，”共同第一作者、現任伊利諾伊大學教授克里斯托弗·安德森 (Christopher Anderson) 說。厄巴納-尚佩恩說道。
被忽視的內容找到了新用途
鈦酸鍶並不是新發現的物質。它已經被研究了幾十年，而且價格便宜且數量充足。共同第一作者、Vuckovic 實驗室的博士後學者 Giovanni Scuri 表示，“STO 並不是特別特別。它並不罕見，也不昂貴。” “事實上，它經常用來代替珠寶中的鑽石。或者作為生長其他更有價值的材料的起始材料。儘管它是一種‘教科書’材料，但它在低溫環境下效果非常好。”
測試 STO 的決定是通過了解哪些特性使材料高度可調而做出的。 “我們知道製造高度可定製材料需要哪些成分。我們發現這些成分已經存在於自然界中。我們將其應用到新配方中。STO 是顯而易見的選擇，”安德森說。 “當我們嘗試使用它時，令人驚訝的是，它完美地滿足了我們的期望。”
Scuri 補充說，他們開發的框架可以幫助識別或改進其他非線性材料。適用於各種工況
接近絕對零的破紀錄性能
在 5 開爾文 (-450°F) 下進行測試時，STO 的性能令研究人員感到震驚。非線性光學響應大於鈮酸鋰。它是領先的非線性導光材料的 20 倍，響應幾乎是傳統低溫基準鈦酸鋇的三倍。
為了進一步推動其功能，該團隊用更重的同位素取代了晶體中的一些氧原子。這種修改使 STO 更接近一種稱為量子臨界的狀態。這允許更大的定制能力。
安德森表示，通過向材料中 33% 的氧原子添加兩個中子，最終的可定制性就增加了四倍。 “我們精確地調整了我們的配方，以實現最佳的性能。”
塑造低溫設備的未來
該團隊表示，STO 還具有實際優勢，可能會引起工程師的興趣。可以合成結構修改，並且可以使用現有的半導體器件在晶圓規模上製造。這些特性使它們成為下一代量子設備的理想選擇，例如用於控制和傳輸量子信息的激光開關。
該研究部分由三星電子和谷歌量子計算部門資助，這兩家公司都在尋找材料來開發量子硬件。該團隊的下一個目標是根據 STO 的獨特特性設計一種功能齊全的低溫設備。
“我們在架子上發現了這種材料。我們使用了它，它太棒了。我們知道它為什麼好。最重要的是——我們知道如何讓它變得更好。添加額外的醬汁。我們為這些應用創造了一些世界上最好的材料，”安德森說。 “這是一個精彩的故事。”
除了三星和谷歌之外，這項研究還得到了美國國防部和能源部 Q-NEXT 計劃的萬尼瓦爾·布什教員獎學金的支持。
貢獻者包括來自密歇根大學的 Aaron Chan 和 Lu Li；斯坦福大學 EL Ginzton 實驗室的 Sungjun Eun、Alexander D. White、Geun Ho Ahn、Amir Safavi-Naeini 和 Kasper Van Gasse；和斯坦福納米共享設施的 Christine Jilly。
