При температуре 4 градуса Кельвина большинство электрооптических материалов теряют свои свойства. Центр исследований и разработок в области наноэлектроники imec успешно создал тонкоплёночный титанат стронция (SrTiO₃), который демонстрирует рекордные электрооптические характеристики с низкими оптическими потерями. Это указывает на возможность создания более коротких и быстрых компонентов для квантовых устройств.
Квантовые компьютеры и детекторы работают при температурах, близких к абсолютному нулю. В этих экстремальных условиях даже лучшие материалы, рассчитанные на работу при комнатной температуре, с трудом управляют светом. Эта особенность важна для кодирования, маршрутизации и преобразования информации в электрооптических сетях, которые при комнатной температуре используются в приложениях для работы с данными и в телекоммуникациях, но всё чаще — для квантовых соединений при ультранизких температурах.
В новой статье, опубликованной сегодня в журнале Science, исследователи imec в сотрудничестве с KU Leuven и Гентским университетом сообщают, что они переработали обычный кристалл — титанат стронция (SrTiO₃), — чтобы он демонстрировал рекордные характеристики при криогенных температурах.
Исследовательская группа под руководством Кристиана Хаффнера и при участии аспирантов Анджи Ульрих, Камала Брахима и Андриса Болена демонстрирует эффективный коэффициент Поккельса, близкий к 350 пм/В при 4 К, что является самым высоким показателем для любого тонкоплёночного электрооптического материала при такой температуре.
Коэффициент Поккельса показывает, насколько сильно изменяется показатель преломления материала (насколько луч света отклоняется при переходе из одной среды в другую) при приложении электрического поля. Чем больше коэффициент Поккельса, тем эффективнее можно модулировать свет на вольт. При ультранизких температурах большинство материалов ослабевают, но созданная тонкоплёночная структура SrTiO₃ действует наоборот, обеспечивая более короткие и быстрые электрооптические компоненты.
Важно отметить, что команда достигла таких результатов при ограниченных оптических потерях. На практике это означает, что учёные могут создавать более компактные устройства, которые тратят меньше фотонов, что важно для квантовых систем.
«Превращая квантово-параэлектрик в криоферроэлектрическую тонкую плёнку, мы обнаружили мощный эффект Поккельса там, где его не ожидали. Это открывает новое направление в области материалов для компактных электрооптических компонентов с низкими потерями при 4 градусах Кельвина», — сказал Хаффнер, автор статьи в imec. «Это отличный пример того, как материаловедение на атомном уровне может привести к прорывным решениям на уровне устройств».
Долгосрочная ценность этого фундаментального исследования очевидна: предоставляя криогенный электрооптический материал с рекордными характеристиками в тонкоплёночной форме, работа ускоряет разработку квантовых соединений, модуляторов и преобразователей следующего поколения, которые в конечном итоге могут связать сверхпроводящие процессоры и оптические сети.
Результаты опубликованы одновременно с другим исследованием, показывающим, что путём тщательной настройки титаната стронция можно добиться чрезвычайно сильного и регулируемого отклика на электрические поля при температуре от 4 до 5 К.
В то время как второе исследование проводилось исследовательской группой Стэнфорда, исследователи imec внесли свой вклад в оба достижения. Вместе обе статьи показывают, как можно повысить производительность титаната стронция и контролировать её, а также как создать его в виде тонкоплёночных структур с низкими потерями в масштабе пластины, подходящих для производства фотонных чипов.
«Этот проект потребовал жёсткого контроля над выращиванием плёнки, экспертного склеивания пластин и высокоточного тестирования при криогенных температурах… Это настоящий междисциплинарный проект», — сказали первые авторы Ульрих, Брахим и Болен. «Мы рады, что наше фундаментальное открытие может стать основой для новых концепций устройств в области квантовой фотоники».
Предоставлено imec.