研究示意圖。圖片來源:《科學》雜志

在接近絕對零度,如4開爾文(約-269.15℃)的極低溫度下,大多數(shù)電光材料都會“失靈”,性能急劇下降。在一項最新研究中,比利時科學家研發(fā)出一種新型鈦酸鍶(SrTiO3)薄膜,在極低溫條件下不僅光損耗低,還實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的電光性能,有望為量子模塊提供更高效的光控組件。相關論文發(fā)表于新一期《科學》雜志。

量子計算機與探測器通常運行在接近絕對零度環(huán)境。在這種極端條件下,常溫材料難以有效調(diào)控光信號。而光調(diào)控恰恰是信息編碼、路由與轉換的關鍵,不僅在常溫數(shù)據(jù)和通信網(wǎng)絡中不可或缺,也正逐步應用于超低溫量子鏈路中。

比利時微電子研究中心、魯汶大學及根特大學組成的研究團隊,對常見晶體鈦酸鍶進行結構重構,使其在低溫下展現(xiàn)出卓越的電光性能。測試結果顯示,在-269.15℃下,該材料的普克爾系數(shù)高達350pm/V,創(chuàng)下目前所有薄膜電光材料在該溫度下的最高紀錄。

普克爾系數(shù)反映了材料在外加電場下折射率變化的強度。系數(shù)越高,意味著每伏電壓對光的調(diào)制效率越高。在極低溫條件下,大多數(shù)材料性能衰退,而改進后的鈦酸鍶薄膜卻逆勢增強。

該材料的“高響應、低損耗”特性,有助于制造更小型、光子損失更少的器件,推動下一代量子互連、調(diào)制器和傳感器的發(fā)展,最終實現(xiàn)超導處理器與光網(wǎng)絡之間的高效連接。

同期發(fā)表的另一項研究也表明,通過精確調(diào)控鈦酸鍶結構,其在4—5開爾文的低溫下,對電場的響應變得極強且可調(diào)。兩篇論文共同揭示了鈦酸鍶材料性能的可控潛力,以及將其集成于低損耗、晶圓級光子芯片中的可行路徑。