量子世界迎来材料革命！钛酸锶被唤醒量子之魂，低温性能碾压传统

近日，美国斯坦福大学团队成功激发了藏在一种普通材料中的“量子之魂”。钛酸锶，是一种有着规整晶体结构的材料，隶属于钙钛矿家族。钛酸锶单晶因为拥有较高的折射率和色散，曾被用于“人造宝石”（即钻石的替代品）。从外观来看它只是一块透明无色的普通小晶体，但在这平凡的外表之下却隐藏着一个尚未苏醒的“量子之魂”。

图 | 摄影师镜头之下的钛酸锶（来源：https://baike.baidu.com/）

研究中，本次团队找到一种能让钛酸锶变得更强的氧同位素替换新方法，通过简单地调节氧同位素，将钛酸锶的光电效应提升一倍多，压电效应提升四倍多，甚至能够触及到量子临界点。这让钛酸锶的性能能够媲美乃至超越许多在室温下表现优异的传统材料，实现了材料科学和量子物理的一次强强联手。

当前，人们对于量子计算机充满了期待，期待它能设计出神奇的新药，期待它能彻底改变人工智能。但是，量子计算机的核心部件必须在大约 -273°C 的极寒环境之下才能工作。这就造成了一个巨大的瓶颈：似乎人们只有建造量子计算机的蓝图，却缺少能够在极寒环境下帮助量子计算机工作的材料。而本次研究团队用这篇 Science 论文为这一问题交上了答案。

（来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx8657）

让钛酸锶赖以成名的两种超能力

一直以来，量子计算机都面临着一个极寒难题。作为量子计算机的“大脑”，量子比特必须在上述极低温度之下才能稳定工作。在这个冰点世界里，许多我们日常使用的电子材料和光学材料都会因为迟钝和低效而罢工。多年来，人们一直在寻找能在极寒中正常工作的特殊材料。

量子比特就像是一位才华横溢但却极其敏感的艺术家，周围环境中一丝一毫的热量或噪音，都会干扰它的创作，一旦被干扰就会出现计算错误。因此，要为它创造一个接近绝对零度（-273.15°C）的超静音工作室。

但是问题也随之而来：在这个冰封工作室里，如何与这位艺术家沟通向它发送指令？以及如何读取它的想法？如果使用普通电线，电线本身就会像导热条一样把热量带入，从而破坏内部的超冷环境。而且，那些在常温下好使的光学材料比如铌酸锂，在极寒条件中性能会大幅下降。

因此，人们亟需一位能在极寒中高效工作的材料帮手，这个帮手还必须身兼两职，它既得是通讯官也得是操作手：当它作为通讯官的时候，它需要用光来传递信息；当它作为操作手的时候，它需要用电力来驱动微小机械。只有这样，才能建造强大的量子计算机。

（来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx8657）

于是研究团队将眼光转向了钛酸锶，它拥有两种赖以成名的能力：电光效应和压电效应。

电光效应让钛酸锶可以用电压来调光。

这就和使用遥控器来调节电视音量一样，钛酸锶在某些光电材料的电压作用之下，可以改变穿过它的激光的性质。当你按下按钮时，遥控器会发出一束看不见的红外光，电视接收到信号之后就会调节音量。在这个过程中，遥控器里的一个微小部件——一个具有光电效应的晶体起到了关键作用。电光效应对于钛酸锶来说相当于一个“光的水龙头”，当拧动电压旋钮，激光的流动就会发生变化，利用这个效应可以制造光学开关和调制器，从而可以在量子计算机内部精准地控制光路，进而可以传递信息。

压电效应则能让钛酸锶实现力与电的变形。

很多人都使用过打火机，当我们按下打火机的时候就会产生火花，这就是一种压电效应，原理在于对材料施加压力它就会产生电压。反过来，当对其通电的时候它也会发生形变。像麦克风和 B 超探头都利用了这个效应，麦克风将声音振动转化为电信号，B 超探头则通过逆压电效应产生超声波、又通过正压电效应接收回波来成像。而在极寒环境之中，强大的压电材料也可以成为这样一个微操作小能手。

综上可见，一个同时拥有这两种效应的材料，等于既是光的指挥家，又是微观雕塑家。而钛酸锶，正是将这两种角色在极寒条件下演绎到极致的材料。

那么，科学家是如何看到并测量这种极寒微观世界的神奇效应的？答案是马赫-曾德尔干涉仪。这种干涉仪的原理就像是在跳光的双人舞。当它工作的时候，一束激光会被分为两路，在第一条路线中探测光会穿过钛酸锶晶体，在第二条路线中参考光走固定路径。两束光最终汇合，产生了干涉图案。

对于电光效应，当给晶体施加电压时，电光效应会让探测光的步伐、也就是相位发生微小改变。通过与参考光的稳定舞步并加以对比，这种微小变化就会转变为光线上的明暗变化，这样一来就能被灵敏探测器捕捉到，从而精确地计算出材料的超能力。

对于压电效应，激光能够直接照射到晶体表面的金属电极上。晶体通电之后会发生纳米级的振动，从而使反射激光的路程发生变化，进而能够通过干涉术实现精准量化。

大多数材料遇冷都会变得迟钝，而钛酸锶在接近绝对零度时，其内部响应电场的能力也就是介电常数却是不降反升，甚至会飙升到一个惊人数值。奥秘在于它有一个名为量子顺电体的特殊状态。

何为量子顺电体？或许可以用一支军队来比喻：在普通铁电材料中，当温度降低到一定程度，所有“士兵”也就是原子会整齐列队。而在钛酸锶这种材料中，当温度逼近到绝对零度，量子世界所特有的、永不停歇的随机振动也就是量子涨落会阻止“士兵”们进行整齐列队。结果，这支军队始终处于想排队但又排不成的活跃状态。由于没有统一方向，因此每个“士兵”都处于高度敏感的状态，这让其反而能对外界电场做出强烈响应。

（来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx8657）

针对钛酸锶打造强化秘术，让其走向量子临界点

如前所述，本次研究团队为钛酸锶找到了一个强化旋钮——氧同位素替换，即通过特殊工艺将钛酸锶晶体中部分天然的轻氧原子 ¹⁶O 替换成为更重的¹⁸O。尽管这只是一个微小的质量改变，但却能够调整军队中“士兵”的体重分布，从而能够削弱那些组织列队的量子涨落噪音。

当 ¹⁸O 比例达到大约 33% 的时候，系统达到了量子临界点这一极限状态。在天然钛酸锶之中，量子涨落这支队伍的力量很强，牢牢地拉着绳子不让原子排队。随着 ¹⁸O 的加入，另一支趋向于排队的队伍力量相对变强。当两支队伍逐渐变得势均力敌、但又没有超过极限状态的情况下，即可迎来量子临界点。这时，量子涨落与趋向列队的力量势均力敌，系统的响应能力也被放大到极致，钛酸锶的性能达到匪夷所思的 1060pm/V 和 400pC/N。

那么，这些数字将如何改变人类的未来？

首先，本次成果有望为量子计算机打造超快光开关。利用钛酸锶的光电效应，可以制造体积极小、功耗极低的光开关。这些光开关能在量子计算机的冰冷核心中自如地工作，通过精确地引导激光信号，能够连接各个量子处理模块，从而能为构建大规模的量子计算机铺平道路，这等于能为量子比特创造一条可以在冰点下运行的无比高效的光纤高速公路网。

其次，本次成果有望用于低温激光扫描与通信。目前，科学家已经利用钛酸锶造出可以在低温下工作的激光光束转向器，在使用较低电场的情况下，即可实现激光束的精确偏转，这在卫星间激光通信或低温精密加工之中具有较大应用潜力。

再次，能够实现更好的技术集成。相比含铅的传统压电材料，钛酸锶对于环境较为友好。更重要的是，它能像制造电脑芯片一样，直接在硅晶圆上生长高质量的薄膜，进而与现有技术实现轻松集成，从而能够降低片上量子光学系统的量产难度和应用难度。

最后，有望成为太空望远镜的超精微调手。基于钛酸锶的压电效应可以制成微型致动器，安装在太空望远镜的镜片后面。通过施加微小的电压，可以产生纳米级的精确伸缩，就像无数只无形的手指实时地推拉镜面，从而能够针对形变进行校正，确保望远镜在太空中始终拥有一双火眼金睛。

总的来说，本次研究团队利用钛酸锶的奇特量子物态设计了新一代功能材料，让钛酸锶这样一种原本普通的晶体能够助力于构建更强大的量子计算机。研究团队相信，在浩瀚的宇宙中可能还存在许多其他拥有类似量子行为、等待被发现的材料潜力股。以钛酸锶为范本，他们正在试图在更多材料体系中寻找类似的量子效应，希望未来能够找到性能更优的、能够适用于不同场景的新一代低温非线性光学材料和压电材料。

参考资料：

相关论文 https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx8657

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