A szupervezetés és a kvantumszámítástechnika az elmúlt években a tudományos közösségből a szélesebb közvélemény érdeklődésének középpontjába került. A 2025-ös fizikai Nobel-díjat olyan kutatásokért ítélték oda, amelyek szupervezető kvantumáramköröket fejlesztettek ki, előrevetítve az ultraerős számítógépek korát. Azonban kevesebben tudják, hogy ezek az ígéretes technológiák gyakran csak extrém alacsony, közel abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékleten működnek, ahol a legtöbb anyag fizikai tulajdonságai jelentősen romlanak vagy eltűnnek.
A stroncium-titanát (STO) újraértelmezése kriogén környezetben
Egy friss, a Science folyóiratban megjelent tanulmányban a Stanford Egyetem mérnökei egy különösen ígéretes anyagot emelnek ki: a stroncium-titanátot (STO). Ez az anyag nemcsak megőrzi optikai és mechanikai tulajdonságait extrém alacsony hőmérsékleten, hanem jelentősen javul is, messze felülmúlva a jelenleg használt anyagokat.
A kutatócsoport szerint ezek az eredmények azt sugallják, hogy az STO lehet az alapja új fényalapú és mechanikai kriogén eszközöknek, amelyek előrelendíthetik a kvantumszámítástechnikát, az űrkutatást és számos más területet.
Miért különleges a stroncium-titanát?
A stroncium-titanát elektro-optikai hatásai akár 40-szer erősebbek, mint a jelenleg leggyakrabban használt elektro-optikai anyagé. Jelentős előnye továbbá, hogy működése kriogén hőmérsékleten is stabil marad, ami kulcsfontosságú lehet kvantum-transzducerek és kapcsolók fejlesztésében – ezek jelenleg komoly akadályt jelentenek a kvantumtechnológiák elterjedésében.
Nemlineáris fotonikai tulajdonságok
Az STO fotonikai hatásai „nemlineárisak”, vagyis elektromos tér hatására jelentős változásokat idéz elő optikai és mechanikai tulajdonságaiban. Ez lehetővé teszi például a fény frekvenciájának, fázisának, intenzitásának vagy irányának olyan mértékű módosítását, amely más anyagokkal nem érhető el.
Piezoelektromos képességek kriogén környezetben
Ezen túlmenően az STO piezoelektromos tulajdonságokkal is rendelkezik: elektromos tér hatására fizikai mérete megváltozik (kitágul vagy összehúzódik). Ez új lehetőségeket nyit elektromechanikus eszközök fejlesztésében, amelyek kriogén hőmérsékleten is működnek. Ez különösen értékessé teszi az STO-t az űr hideg környezetében vagy rakéták kriogén üzemanyag-tartályaiban való alkalmazásra.
„Alacsony hőmérsékleten nemcsak hogy az STO a leginkább elektromosan hangolható optikai anyag, amit ismerünk, de egyben a leginkább piezoelektromosan hangolható is.”
– Christopher Anderson, társszerző és jelenleg az Illinois-i Egyetem oktatója
Az STO múltja és újra felfedezése
Bár az STO nem új anyag – évtizedek óta ismert és tanulmányozott –, eddig soha nem vizsgálták ilyen mélységben kriogén, elektromosan vezérelt optikai alkalmazásokban. Mint Giovanni Scuri társszerző megjegyezte:
„Az STO nem különleges ritkaság vagy drága alapanyag. Gyakran használták gyémánt helyettesítőjeként ékszerekben vagy más értékesebb anyagok növesztésének alapjaként. Pedig egy ‘tankönyvi’ anyagról van szó, amely most kivételesen teljesít alacsony hőmérsékleten.”
A választás nem véletlen volt: a kutatók pontosan tudták, milyen összetevőkre van szükség egy rendkívül hangolható anyag létrehozásához. Ezek már természetesen megtalálhatók voltak az STO-ban – így ez volt az egyértelmű választás. A kísérletek pedig tökéletesen igazolták ezt az elképzelést.
Kiemelkedő laboratóriumi eredmények
A kutatók 5 Kelvin (-268 °C) hőmérsékleten végzett mérései során azt tapasztalták, hogy az STO nemlinearitása mintegy 20-szor nagyobb volt, mint a legjobb ismert nemlineáris optikai anyagé, a lítium-niobáté. Emellett majdnem háromszor felülmúlta a korábban legjobbnak tartott kriogén anyagot, a bárium-titanátot.
Izotópos módosításokkal még jobb teljesítmény
A kutatók tovább finomították az STO tulajdonságait úgy, hogy oxigénizotópokat helyettesítettek be a kristályba. Ez közelebb vitte az anyagot egy kulcsfontosságú állapothoz, amit kvantumkritikusságnak neveznek – ennek hatására még tovább javultak az optikai és piezoelektromos jellemzők.
„Ha mindössze két neutront adunk hozzá pontosan 33%-ban az oxigénatomokhoz, akkor négyszeresére nőtt a hangolhatóság.”
– Christopher Anderson
A jövő kihívásai és lehetőségei
Az STO további előnyei közé tartozik:
- Sintetizálhatóság: Az anyag előállítható laboratóriumi körülmények között nagy tisztaságban.
- Szerkezeti módosíthatóság: Az izotópos cserékhez hasonlóan finomhangolható tulajdonságok érhetők el.
- Gyártási kompatibilitás: Hagyományos félvezető-feldolgozó berendezésekkel feldolgozható wafer-méretben.
Ezek alapján az STO kiváló jelölt lehet szélesebb körű alkalmazásokra kriogén kvantumtechnológiában – például lézerkapcsolókban, amelyek lehetővé teszik kvantumszámítógépek számára az adatok továbbítását vagy manipulálását.
Iparági támogatás és további kutatások
A tanulmány részben ipari támogatással készült: olyan cégek finanszírozták, mint a Samsung és a Google kvantumszámítógép-fejlesztési csapata. Ők aktívan keresik ezeket az új anyagokat annak érdekében, hogy előrelendítsék saját fejlesztéseiket.
A kutatócsoport most azon dolgozik, hogy megvalósítsa ezen kriogén eszközök gyakorlati alkalmazását stroncium-titanát alapokon.
„Megtaláltuk ezt az anyagot egyszerűen polcon állva. Használtuk – és lenyűgözött minket. Megértettük miért jó. Majd még tovább fejlesztettük – így megszületett a világ legjobb anyaga ezekhez az alkalmazásokhoz.”
– Christopher Anderson
Összegzés
A stroncium-titanát újragondolása forradalmi lépést jelenthet a kriogén optika és kvantumtechnológia területén. Rendkívüli elektro-optikai és piezoelektromos tulajdonságai mellett könnyen gyártható és módosítható alapanyagként ígéretes építőköve lehet olyan eszközöknek, amelyek meghatározzák majd a következő generációs számítástechnika és űrkutatás fejlődését.
Forrás: https://phys.org/news/2025-10-common-crystal-ideal-temperature-technology.html