Тема квантовых вычислений захватила первые полосы популярных изданий и стала отчасти близка массовому читателю. Но в тени часто остаётся важнейший аспект применения квантовых технологий — за небольшим исключением они требуют охлаждения до сверхнизких температур. По этой причине квантовые технологии нуждаются в особых материалах, поскольку традиционные при охлаждении теряют свои физические и электрические свойства.
Поиском перспективных для работы в условиях криогенных температур материалов занялась группа учёных из Стэнфордского университета (Stanford University). Исследователи примерно знали, что им искать, поэтому выбрали для детального изучения титанат стронция (STO), известный своими необычными оптическими и электрическими характеристиками. Отметим, титанат стронция относится к классу минералов перовскитов, которым учёные в последние годы уделяют максимально пристальное внимание.
Титанат стронция в промышленных масштабах начали производить к середине 50-х годов прошлого века. В кристаллической форме он похож на настоящие бриллианты, поэтому до сих пор применяется при изготовлении ювелирных украшений — точнее, для их имитации. Как выяснили учёные из Стэнфорда, титанат стронция при охлаждении до температуры 5 К (-268 °C) не только не теряет своих оптических и других свойств, но даже становится во много крат лучше, значительно превосходя ключевые характеристики уже используемых в квантовых технологиях материалов. Тем самым, считают учёные, STO имеет все шансы стать основой для новых оптических и механических криогенных устройств, которые выведут квантовые вычисления, исследование космоса и другие области на новый уровень.
При сильном охлаждении титанат стронция продемонстрировал сильнейший электрооптический эффект (оптическую нелинейность) — зависимость преломления света от наведённого электромагнитного поля, который оказался в 40 раз сильнее, чем у наиболее часто используемого сегодня электрооптического материала. Это свойство востребовано для создания квантовых преобразователей и переключателей, которые в настоящее время являются узким местом в квантовых технологиях. Иначе говоря, открывается возможность изменения частоты, фазы, интенсивности и преломления света способами и в масштабах, недоступных для других материалов. Инженеры могут использовать эти эффекты для создания новых низкотемпературных устройств, которые иначе были бы невозможны.
STO также является пьезоэлектриком, то есть физически расширяется и сжимается при воздействии электрического поля, что открывает путь к созданию новых электромеханических устройств, работающих при криогенных температурах. Исследователи отметили, что эти свойства могут сделать STO особенно ценным материалом в холодных просторах космоса или в криогенных топливных баках ракет.
«При низкой температуре титанат стронция является не только самым электрически настраиваемым из известных нам оптических материалов, но и самым пьезоэлектрически настраиваемым материалом», — заключают авторы исследования.