4 Kelvin sıcaklıkta çoğu elektro-optik malzeme sarsılır. Nanoelektronik Ar-Ge merkezi imec artık ince film stronsiyum titanatı (SrTiO) başarıyla tasarladı₃), düşük optik kayıpla rekor elektro-optik performans sunan, kuantum cihazları için daha kısa, daha hızlı yapı taşlarına işaret ediyor.
Kuantum bilgisayarlar ve dedektörler mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda çalışır. Bu aşırı koşullarda, oda sıcaklığındaki en iyi malzemeler bile ışığı verimli bir şekilde kontrol etmekte zorlanır. Bu özellik, oda sıcaklığında veri ve telekom uygulamalarında kullanılan, aynı zamanda giderek daha fazla ultra düşük sıcaklıktaki kuantum bağlantıları için kullanılan elektro-optik ağlardaki bilgileri kodlamak, yönlendirmek ve dönüştürmek için gereklidir.
Bugün yayınlanan yeni bir makalede Bilimimec araştırmacıları, KU Leuven ve Ghent Üniversitesi ile işbirliği içinde, ortak bir kristal olan stronsiyum titanatı (SrTiO) nasıl yeniden tasarladıklarını bildirdiler₃), bu nedenle kriyojenik sıcaklıklarda rekor performansla davranır.
Christian Haffner liderliğindeki ve Ph.D. öğrencileri Anja Ulrich, Kamal Brahim ve Andries Boelen, 4 K’de 350 pm/V’ye yakın etkili bir Pockels katsayısı sergiliyor; bu, bu sıcaklıkta herhangi bir ince film elektro-optik malzeme için bildirilen en yüksek değerdir.
Pockels katsayısı, bir elektrik alanı uyguladığınızda bir malzemenin kırılma indeksinin (bir ışık ışınının bir ortamdan diğerine geçerken ne kadar büküldüğü) ne kadar güçlü değiştiğini ölçer. Pockels katsayısı ne kadar büyük olursa, volt başına ışığı o kadar verimli bir şekilde modüle edebilirsiniz. Ultra düşük sıcaklıklarda çoğu malzeme zayıflar ancak özel olarak tasarlanmış SrTiO₃ ince film ise tam tersini yaparak daha kısa, daha hızlı elektro-optik bileşenlere olanak tanır.
Ekibin bu performansı sınırlı optik kayıplarla elde etmesi çok önemli. Pratik anlamda, yüksek elektro-optik gücün düşük kayıpla birleşimi, bilim adamlarının daha az foton israf eden daha küçük cihazlar üretebileceği anlamına geliyor ki bu da kuantum sistemleri için gereklidir.
imec’ten sorumlu yazar Haffner, “Kuantum-paraelektriği kriyo-ferroelektrik ince filme dönüştürerek, beklenmeyen bir yerde güçlü bir Pockels etkisini ortaya çıkarıyoruz. Bu, 4 derece Kelvin’de kompakt, düşük kayıplı elektro-optik bileşenler için yeni bir malzeme yolu açıyor” dedi. “Bu, atom ölçeğindeki malzeme mühendisliğinin cihaz düzeyindeki atılımların kilidini nasıl açabileceğinin harika bir örneği.”
Bu temel araştırmanın uzun vadeli değeri açıktır: ince film formunda rekor performansa sahip, kriyojenik kullanıma hazır bir elektro-optik malzeme sağlayarak, bu çalışma, sonunda süper iletken işlemciler ve optik ağlar arasında köprü oluşturabilecek yeni nesil kuantum ara bağlantılarının, modülatörlerin ve dönüştürücülerin gelişimini hızlandırır.
Sonuçlar, stronsiyum titanatın dikkatli bir şekilde ayarlanmasıyla 4 ila 5 K elektrik alanlarına tepkisinin son derece güçlü ve ayarlanabilir hale getirilebileceğini gösteren başka bir çalışmayla birlikte arka arkaya yayınlandı.
İkinci çalışma Stanford araştırma ekibi tarafından yürütülürken, imec araştırmacıları her iki ilerlemeye de katkıda bulundu. Her iki makale de birleştirildiğinde, stronsiyum titanatın performansının ne kadar ileri götürülüp kontrol edilebileceğini ve bunun fotonik çiplerin üretimine uygun, düşük kayıplı, levha ölçeğinde ince filmlere nasıl dönüştürülebileceğini gösteriyor.
İlk yazarlar Ulrich, Brahim ve Boelen, “Bu proje, filmin nasıl büyütüldüğü üzerinde sıkı kontrol, uzman levha yapıştırma ve kriyojenik sıcaklıklarda yüksek hassasiyetli testler gerektiriyordu… Gerçek bir disiplinler arası çaba” dedi. “Temel keşfimizin artık kuantum fotoniği için yeni cihaz konseptlerinin tohumunu atabileceğinden heyecan duyuyoruz.”
