Vanhan koulukunnan materiaali yllättää

Jo vuonna 1941 löydetty bariumtitanaatti tunnetaan vahvoista sähköoptisista ominaisuuksistaan. Sähköoptiset materiaalit, kuten bariumtitanaatti, toimivat siltoina sähkön ja valon välillä muuntamalla elektronien kuljettamat signaalit fotonien kuljettamiksi signaaleiksi.

Lupauksistaan huolimatta bariumtitanaatista ei kuitenkaan koskaan tullut alan standardia sähköoptisille laitteille. Sen sijaan litiumniobaatti – joka on vakaampi ja helpompi valmistaa, vaikka sen ominaisuudet eivät aivan vastaakaan bariumtitanaatin ominaisuuksia – otti tämän roolin.

Mutta muokkaamalla bariumtitanaattia ultraohuiksi, venytetyiksi ohutkalvoiksi tämä voisi muuttua, toteaa professori Venkat Gopalan ja julkaistun tutkimuksen toinen kirjoittaja.

Gopalanin mukaan ratkaisevaa on, että uusi materiaali parantaa signaalia kuljettavien elektronien muuntumista signaalia kuljettaviksi fotoneiksi yli kymmenkertaisesti kryogeenisissä lämpötiloissa.

Kryogeeninen toiminta on välttämätöntä suprajohtaviin piireihin perustuville kvanttiteknologioille. Lisäksi informaation siirtäminen etäisten kvanttitietokoneiden välillä edellyttää informaation muuntamista valoksi, jotta perinteisiä kuituoptisia laitteita voitaisiin käyttää kvanttiverkkojen mahdollistamiseksi.

Tehokkaille sähkö-optisille muuntimille voidaan löytää käyttöä myös datakeskuksissa, jotka tukevat kaikkea tekoälystä (AI) verkkopalveluihin. Nämä laitokset kuluttavat valtavia määriä energiaa, jota optiset linkit voivat auttaa keventämään.

Tutkimusryhmä muokkasi bariumtitanaattia noin 40 nanometrin paksuisiksi kalvoiksi. Kasvattamalla kalvon toisen kiteen päälle tutkijat pakottivat atomit uusiin paikkoihin, mikä loi metastabiilin faasin, joka on kiderakenne, jota ei esiinny luonnossa massamuodossa. 

”Metavakailla faaseilla voi olla ominaisuuksia, joita vakailla versiolla ei välttämättä ole”, Gopalan sanoi. ”Tässä tapauksessa bariumtitanaatin stabiili faasi menettää suuren osan sähköoptisesta suorituskyvystään matalissa lämpötiloissa, mikä on suuri ongelma kvanttisovelluksissa, jotka vaativat suprajohtavia kubitteja. Mutta luomamme metastabiili faasi ei ainoastaan välttänyt tätä laskua, vaan se myös osoitti poikkeuksellisen vasteen.” 

Tutkimuksen toinen pääkirjoittaja ja materiaalitieteen ja -tekniikan tohtorikoulutettava Sankalpa Hazra sanoi, että jännitetyillä bariumtitanaattiohutkalvoilla tehtävää lähestymistapaa voitaisiin soveltaa monenlaisiin materiaaleihin.

Seuraavaksi tiimi pyrkii laajentamaan työtään bariumtitanaatin ulkopuolelle.  

Aiheesta aiemmin:

Valosähköisen rajan ylittäen

Ferrosähköistä energian tuottoa

Käytännöllisen kvanttilaskennan aika lähestyy