Tavallinen kide ihanteellinen kryogeenisen lämpötilan valotekniikalle

Stanfordin insinöörit tunnistivat strontiumtitanaatin (STO) materiaaliksi, joka parantaa optisia ja mekaanisia ominaisuuksia kryogeenisissä lämpötiloissa, mikä tekee siitä arvokkaan edistyneille teknologioille.

Suprajohtavuus ja kvanttilaskenta ovat kaksi alaa, jotka ovat tihkuneet teoreettisista piireistä yleiseen tietoisuuteen.

Mutta vähemmän tunnettua on se, että nämä lupaavat teknologiat ovat usein mahdollisia vain kryogeenisissä lämpötiloissa – lähellä absoluuttista nollapistettä. Valitettavasti harvat materiaalit kestävät tällaisia äärimmäisyyksiä.

Uudessa tutkimusartikkelissa Stanfordin yliopiston insinööritiimi nostaa esiin lupaavan materiaalin – strontiumtitanaatin eli lyhyesti STO:n – jonka optiset ja mekaaniset ominaisuudet eivät heikkene äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa, vaan itse asiassa paranevat merkittävästi ja ylittävät olemassa olevat materiaalit reilusti.

He uskovat, että nämä löydökset viittaavat siihen, että STO:sta voisi tulla rakenneosa uusille valoon perustuville ja mekaanisille kryogeenisille laitteille, jotka vievät kvanttilaskennan, avaruustutkimuksen ja muut alat uudelle tasolle.

"Strontiumtitanaatilla on 40 kertaa voimakkaampia sähköoptisia vaikutuksia kuin nykyään eniten käytetyllä sähköoptisella materiaalilla. Mutta se toimii myös kryogeenisissä lämpötiloissa, mikä on hyödyllistä kvanttimuuntimien ja -kytkimien rakentamisessa, jotka ovat nykyisiä kvanttiteknologioiden pullonkauloja", selitti tutkimuksen vanhempi kirjoittaja professori Jelena Vuckovic.

STO:n fotonisia vaikutuksia kuvataan "epälineaarisiksi". Toisin sanoen, kun sähkökenttä kohdistetaan, STO muuttaa optisia ja mekaanisia ominaisuuksiaan merkittävästi. STO:n optista epälineaarisuutta (sähköoptista vaikutusta) voidaan käyttää valon taajuuden, vaiheen, intensiteetin ja taivutuksen muuttamiseen tavoilla ja määrissä, joihin muut materiaalit eivät pysty. Insinöörit voivat hyödyntää näitä vaikutuksia luodakseen uusia matalan lämpötilan laitteita, jotka eivät muuten olisi mahdollisia.

STO on myös pietsosähköinen, mikä tarkoittaa, että se laajenee ja supistuu fyysisesti, kun siihen kohdistetaan sähkökenttä, mikä avaa mahdollisuuden uusille sähkömekaanisille laitteille, jotka toimivat myös kryogeenisissä lämpötiloissa.

”Matalassa lämpötilassa strontiumtitanaatti ei ole ainoastaan sähköisesti parhaiten viritettävä optinen materiaali, jonka tunnemme, vaan se on myös pietsosähköisesti parhaiten viritettävä materiaali”, korosti postdoc-tutkija Christopher Anderson.

Vuckovic huomautti, että tutkimusta rahoittivat osittain teollisuus – Samsung ja Googlen kvanttilaskentatiimi, jotka etsivät juuri tällaisia uusia materiaaleja laitteilleen.

Aiheesta aiemmin:

Valopulsseilla materiaalin atomiyhteydet uusiksi

Valoemissio ilman teoriaa

Uusi mahdollisuus pienentää transistoreita