Strontiumtitanaat verlegt elektro-optische grens voor kwantum 

Bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt laten de meeste elektro-optische materialen het afweten. imec heeft nu een dunne film van strontiumtitanaat (SrTiO_₃) ontwikkeld die ongeziene elektro-optische prestaties combineert met lage optische verliezen bij een temperatuur van 4 Kelvin. Dit kan de ontwikkeling versnellen van een nieuwe generatie kwantumtoepassingen.

Kwantumcomputers en -detectoren werken bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (-273°C). In die omstandigheden kunnen veel materialen licht niet meer efficiënt sturen, terwijl net dat cruciaal is om informatie te coderen, door te geven en om te zetten in elektro-optische circuits.

In een nieuwe publicatie in het vakblad Science rapporteren imec, KU Leuven en Universiteit Gent, hoe zij een dunne film van strontiumtitanaat (SrTiO_₃) hebben geoptimaliseerd bij dergelijke lage temperaturen.

Het team onder leiding van Christian Haffner demonstreert een effectieve Pockels-coëfficiënt van 345 picometer per volt, de hoogste waarde die ooit is gerapporteerd voor een dunne-film elektro-optisch materiaal bij een temperatuur van 4 Kelvin. De Pockels-coëfficiënt geeft aan hoeveel de brekingsindex verandert wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd. Hoe groter de Pockels-coëfficiënt, hoe efficiënter licht per volt gemoduleerd kan worden.

Beter dan bij kamertemperatuur

Waar de meeste materialen bij ultralage temperatuur minder goed presteren, doet deze geoptimaliseerde strontiumtitanaat-dunnefilm het juist veel beter dan bij kamertemperatuur. Bovendien vertoont het daarbij slechts beperkte optische verliezen. 

Dit opent de deur naar nieuwe toepassingen: met een elektro-optisch materiaal dat in dunne-filmvorm en bij extreem lage temperaturen recordprestaties levert, kan een nieuwe generatie van kwantum-interconnects, modulatoren en transducers worden gebouwd, die op termijn supergeleidende processors met optische netwerken kunnen verbinden.

Uit een studie concluderen de onderzoekers (Stanford en imec) dat de elektro-optische respons van strontiumtitanaat bij 4 à 5 Kelvin specifiek kan worden bijgestuurd en uitgebreid. Samen laten de twee publicaties zien hoe sterk de prestaties van strontiumtitanaat kunnen worden opgedreven en gestuurd, en hoe het materiaal kan worden geïntegreerd als dunne film op wafers voor de productie van fotonische chips.