Обычный кристалл оказался идеальным материалом для технологий на сверхнизких температурах

Исследователи Стэнфордского университета обнаружили, что широко известный минерал — титанат стронция (SrTiO₃) — может стать ключевым элементом для оптических и механических устройств, работающих при экстремально низких температурах. Работа опубликована в журнале Science и уже привлекла внимание специалистов по квантовым технологиям и космическим системам.

Свет, холод и квантовые технологии

Сверхпроводимость и квантовые вычисления перестали быть уделом теоретиков — в 2025 году Нобелевская премия по физике была присуждена за работы в области сверхпроводящих квантовых цепей. Однако все эти технологии требуют криогенных условий — температур, близких к абсолютному нулю. Проблема в том, что большинство материалов при таких температурах теряют свои полезные свойства. Электрооптические эффекты, на которых основаны многие квантовые устройства, ослабевают, а кристаллы становятся хрупкими. На этом фоне результаты стэнфордской команды оказались неожиданными: титанат стронция, напротив, улучшает свои свойства при охлаждении, показывая характеристики, значительно превосходящие современные аналоги.

40 раз сильнее конкурентов

По словам руководителя исследования, профессора электротехники Елены Вучкович, титанат стронция обладает электрооптическим эффектом, в 40 раз более мощным, чем у наиболее распространённых сегодня материалов. «STO не просто устойчив к холоду — он становится лучше. Его свойства открывают путь к созданию новых квантовых преобразователей и оптических переключателей, которые сейчас являются узким местом квантовых технологий», — объясняет учёная. Электрооптическая нелинейность STO позволяет изменять частоту, фазу и интенсивность света, а также направление его распространения — с точностью, недостижимой для других материалов. Кроме того, STO является пьезоэлектриком, то есть может физически сжиматься и расширяться под воздействием электрического поля. Это свойство делает его перспективным для электромеханических устройств, способных работать при криогенных температурах — например, в топливных системах ракет или оборудовании для космоса. «При низких температурах титанат стронция — самый регулируемый по электрическим параметрам оптический материал, известный науке, и одновременно самый пьезоэлектрически чувствительный», — отмечает соавтор исследования Кристофер Андерсон (Университет Иллинойса).

Старый материал с новым предназначением

Титанат стронция нельзя назвать редкостью: он используется десятилетиями, в том числе как заменитель алмаза в ювелирных изделиях или подложка для выращивания других кристаллов. «STO — не экзотика. Это дешёвый и хорошо изученный материал, но его потенциал в условиях криогенных температур оставался незамеченным», — говорит соавтор Джованни Скури. Идея использовать STO не была случайной. Учёные знали, какие физические «ингредиенты» необходимы для создания высоконастраиваемого кристалла, и нашли их в уже существующем веществе. «Мы просто применили известный материал по-новому — и результат превзошёл ожидания», — добавляет Андерсон.

Лабораторный прорыв

Эксперименты при температуре 5 Кельвинов (–268 °C) показали, что нелинейные оптические эффекты STO примерно в 20 раз сильнее, чем у литий-ниобата — одного из лучших материалов своего класса. По сравнению с предыдущим рекордсменом, криогенным барий-титанатом, превосходство оказалось почти троекратным. Учёные пошли дальше: они заменили часть кислородных атомов в кристалле их более тяжёлым изотопом, что приблизило материал к так называемому состоянию квантовой критичности. Это усилило настраиваемость кристалла ещё в четыре раза. «Добавив всего два нейтрона к трети атомов кислорода, мы повысили управляемость материала в четыре раза. Это позволило точно настроить наш „рецепт“ для максимальной эффективности», — пояснил Андерсон.

Новые горизонты

По мнению авторов, STO может стать строительным блоком для новой генерации оптических и квантовых систем, работающих при экстремально низких температурах. Такие технологии могут найти применение в квантовых компьютерах, телекоммуникациях, а также в космической и криогенной инженерии. «Обычный, недорогой кристалл, который многие считали обыденным, может сыграть ключевую роль в будущем квантовых технологий», — подытожила профессор Вучкович.

• Учёные научились превращать снимки атомно-силового микроскопа в точные 3D-модели движений белков
• Учёные создали уникальный гидрогель для «неклонируемых» меток безопасности
• Роботы нового поколения: в Caltech создали систему, которая может ходить, ездить и летать
• Учёные создали 3D-печатные материалы, которые полностью гасят вибрации
• Квантовые кристаллы: как учёные из Оберна открыли путь к новой технологической революции
• Телескоп «Джеймс Уэбб» показал рождение тысяч новых звёзд в «Омара»
• GE Aerospace испытала гиперзвуковой двигатель без движущихся частей
• Ученые создали нейросеть из ДНК, способную к обучению