探索低温光技术新材料：钛酸钡的潜力与应用

超导性和量子计算是两个已经从理论圈子渗透到大众意识中的领域。2025年诺贝尔物理学奖因超导量子电路的研究而颁发，这些电路可能驱动超强计算机。但可能不太为人所知的是，这些有前景的技术通常只能在接近绝对零度的低温下实现。不幸的是，很少有材料能够承受如此极端的条件。在低温条件下，它们珍贵的物理特性会消失。

然而，在一篇发表在《科学》期刊上的新论文中，斯坦福大学的一组工程师聚焦于一种有前景的材料——钛酸锶，简称STO——其光学和机械特性在极低温下不仅没有下降，反而显著提升，远远超过现有材料。

他们认为，这些发现表明STO可能成为新型基于光和机械的低温设备的基础，这些设备将推动量子计算、太空探索等领域迈向新高度。

钛酸锶的电光效应比目前使用最广泛的电光材料强40倍。但它还可以在低温下工作，这对构建量子传感器和量子开关有利，而这些正是当前量子技术中的瓶颈，”研究的高级作者、电子工程教授耶莲娜·武科维奇解释道。

峰值性能

钛酸锶的光子效应被称为“非线性”。也就是说，当施加电场时，钛酸锶的光学和机械特性会显著改变。钛酸锶中的光学非线性（电光效应）可以用来以其他材料无法实现的方式和程度改变光的频率、相位、强度和弯曲。工程师可以利用这些效应制造出在其他情况下无法实现的新型低温设备。

钛酸锶也是压电材料，这意味着在施加电场时它会物理上膨胀和收缩，这也为新型低温机电设备的运行开辟了可能性。研究人员指出，这些观察结果可能使钛酸锶在外太空寒冷的广阔区域或火箭的低温燃料箱中尤其有价值。

“在低温下，锶钛酸盐不仅是我们所知的电调谐光学材料中最具电调谐能力的材料，而且它也是最具压电调谐性的材料，”共同第一作者之一克里斯托弗·安德森强调道，他曾是Vuckovic实验室的博士后研究员，现在是伊利诺伊大学香槟分校的教员。

舞会上的墙花

STO并不新鲜。它已经被广泛研究了几十年，但从未在低温电控光学的背景下进行过研究。“STO并没有什么特别的。它并不稀有，也不昂贵，”共同第一作者乔瓦尼·斯库里说，他是Vuckovic实验室的博士后研究员。“事实上，它常常被用作珠宝中的钻石替代品，或作为其他更有价值材料的生长基底。尽管作为一种‘教科书’材料被研究了几十年，但在低温环境下表现得非常出色。”

选择STO并不是经过对所有潜在候选者的详细搜索得出的结果，但安德森解释说，这也不是偶然。“我们知道制作高度可调材料所需的成分。我们发现这些成分在自然界中已经存在，我们只是用它们做了一个新的配方。STO是显而易见的选择，”他说。“让我们惊讶的是，它完全符合我们的预期。”

团队从此开始理解如何优化材料以适应不同的操作条件，并补充道：“我们提出的想法也可以应用于发现任何想要的状态下的其他非线性材料，或改善现有材料的性能。”

研究人员对STO的表现感到意外。在5开尔文（-450华氏度）的实验室测试中，他们注意到的非线性程度比已知最佳非线性光学材料铌酸锂高出20倍，几乎是之前表现最佳的低温材料钛酸钡的三倍多。在进一步的实验中，研究人员利用他们对最佳性能所需成分的理解，将氧同位素替换到晶体中。这使STO朝着一个被称为量子临界性的关键阈值更进一步，结果甚至更为显著。

安德森指出：“通过向材料中恰好33%的氧原子添加两个中子，结果的可调性增加了四倍。我们精确调整了配方，以获得最佳性能。”

下一步

团队表示，STO还有其他对工程师具有吸引力的实用特性。它可以合成。它可以在结构上进行修改，以微调其属性，就像氧同位素一样。而且可以使用常规制造设备进行加工，所有这些都在晶圆级别进行。所有这些特性都表明STO在低温量子应用中的广泛采用具有巨大潜力，例如用于激光的开关，使量子计算机能够传输和处理数据。

Vuckovic指出，这项研究部分得到了行业资助——来自三星和谷歌量子计算团队，他们正在寻找这样的新材料来推动他们的研究。她和团队现在正致力于实现基于钛酸锶的新型低温设备。

安德森说：“我们在货架上找到了这种材料。我们使用它，效果惊人。我们明白了它为什么这么好。然后——更妙的是——我们知道怎么做得更好，加入了那种特别的调料，最终为这些应用制造出了世界上最好的材料。” “这真是个好故事。”