imec打破超冷薄膜钛酸锶的性能记录

材料工程领域的突破“加速了量子应用的路线图”。

图：硅片上制备200毫米厚的钛酸锶薄膜

量子计算机和探测器在接近绝对零度的温度下运行。在这种极端条件下，即使是最好的室温材料也难以有效地控制光。光控制对于在电光网络中编码、路由和转换信息至关重要。电光网络在室温下用于数据和电信应用，但越来越多地用于超低温量子链路。

比利时鲁汶imec的研究人员与鲁汶大学和根特大学合作，对一种常见的晶体——钛酸锶（SrTiO₃）进行了重新设计，使其在低温下表现出创纪录的性能。他们的研究成果发表在《科学》杂志上。

由 Christian Haffner 领导的研究团队，以及博士生 Anja Ulrich、Kamal Brahim 和 Andries Boelen，已经证明在 4 K 下有效 Pockels 系数接近 350 pm/V，这是在该温度下任何薄膜电光材料所报道的最高值。

波克尔斯系数衡量材料折射率在施加电场时的变化强度。波克尔斯系数越大，每伏电压下光调制的效率就越高。在超低温下，大多数材料的折射率都会降低，但经过特殊设计的SrTiO₃薄膜却恰恰相反，这使得制造更短、更快的电光器件成为可能。

有限损失

至关重要的是，该团队在实现这一性能的同时，最大限度地减少了光学损耗。实际上，高电光强度与低损耗的结合，意味着科学家可以制造出更小的器件，从而减少光子的损耗，这对于量子系统至关重要。

“通过将量子顺电体转化为低温铁电薄膜，我们发现了一种原本不存在的强大的泡克尔斯效应。这为在4开尔文温度下制造紧凑、低损耗的电光元件开辟了一条新的材料途径，”imec的通讯作者Haffner说道。“这充分展现了原子尺度的材料工程如何能够带来器件层面的突破。”

这项基础研究的长期价值显而易见：通过提供一种低温适用的薄膜电光材料，该研究加速了下一代量子互连、调制器和换能器的发展，这些器件最终可能连接超导处理器和光网络。

两项研究

这项研究成果与另一项研究背靠背发表，后者表明，通过精确调控钛酸锶，可以使其在 4 至 5 K 温度下对电场的响应变得极其强烈且可控。虽然第二项研究由斯坦福大学的研究团队主导，但 imec 的研究人员对这两项研究均做出了贡献。两篇论文共同展示了钛酸锶的性能可以提升到何种程度并进行有效控制，以及如何将其制成适用于光子芯片生产的低损耗晶圆级薄膜。

这一成就体现了imec的终身教职模式，即支持大胆的、长远的研究：受保护的时间、先进的制造技术以及跨学科的支持，将早期的科学见解转化为未来的技术平台。

“这个项目需要严格控制薄膜的生长过程，精湛的晶圆键合技术，以及在低温下进行高精度测试——这是一项跨学科的合作，”论文第一作者安雅·乌尔里希、卡迈勒·布拉希姆和安德里斯·博伦表示。“我们很高兴这项基础性发现能够为量子光子学领域的新器件概念提供灵感。”