Un cristal courant s’avère idéal pour les technologies lumineuses à basse température

Andrew Myers

Les performances impressionnantes du titanate de strontium à des températures extrêmement basses en font un matériau clé pour les dispositifs cryogéniques avancés dans l’informatique quantique et l’exploration spatiale.

Faits marquants

- Des ingénieurs de Stanford ont identifié le titanate de strontium (STO) comme un matériau améliorant les propriétés optiques et mécaniques aux températures cryogéniques, le rendant précieux pour les technologies avancées. 
- L'étude a démontré que le STO surpasse les matériaux existants en environnement basse température, révélant ses capacités uniques. 
- Ces résultats soulignent les applications potentielles du matériau en informatique quantique, technologie laser et exploration spatiale.

La supraconductivité et l’informatique quantique sont deux domaines passés des cercles théoriques à la conscience populaire. Le prix Nobel de physique 2025 a récompensé des travaux sur les circuits quantiques supraconducteurs pouvant alimenter des ordinateurs ultra-puissants. Mais ce qui est moins connu est que ces technologies prometteuses ne sont souvent possibles qu’à des températures cryogéniques – proches du zéro absolu. Malheureusement, peu de matériaux supportent de telles extrêmes. Leurs propriétés physiques précieuses disparaissent sous l’effet du froid intense.

Dans un nouvel article publié dans Science, une équipe d’ingénieurs de l’Université de Stanford met en lumière un matériau prometteur – le titanate de strontium, ou STO – dont les caractéristiques optiques et mécaniques ne déclinent pas aux températures extrêmement basses, mais s’améliorent considérablement, surpassant largement les matériaux existants. Ils estiment que ces découvertes suggèrent que le STO pourrait devenir la pierre angulaire de nouveaux dispositifs cryogéniques optiques et mécaniques propulsant l’informatique quantique, l’exploration spatiale et d’autres domaines vers de nouveaux horizons.

« Le titanate de strontium présente des effets électro-optiques 40 fois plus puissants que le matériau électro-optique le plus utilisé aujourd’hui. Mais il fonctionne également aux températures cryogéniques, ce qui est bénéfique pour construire des transducteurs et commutateurs quantiques qui constituent actuellement des goulots d’étranglement dans les technologies quantiques« , a expliqué l’auteure principale de l’étude Jelena Vuckovic, professeure en génie électrique.

Une performance optimale

Les effets photoniques du STO sont décrits comme « non linéaires« . C’est-à-dire que lorsqu’un champ électrique est appliqué, le STO modifie significativement ses propriétés optiques et mécaniques. La non-linéarité optique (l’effet électro-optique) dans le STO peut être utilisée pour modifier la fréquence, la phase, l’intensité et la courbure de la lumière de manières et à des degrés impossibles avec d’autres matériaux. Les ingénieurs peuvent exploiter ces effets pour créer de nouveaux dispositifs basse température autrement impossibles.

Le STO est également piézoélectrique, ce qui signifie qu’il se dilate et se contracte physiquement lorsqu’un champ électrique est appliqué, ouvrant également la possibilité de nouveaux dispositifs électromécaniques fonctionnant aux températures cryogéniques. Les chercheurs ont noté que ces observations pourraient rendre le STO particulièrement précieux dans les étendues froides de l’espace extra-atmosphérique ou dans les réservoirs de carburant cryogénique des fusées.

« À basse température, non seulement le titanate de strontium est le matériau optique le plus électriquement accordable que nous connaissions, mais c’est aussi le matériau le plus piézoélectriquement accordable« , a souligné le co-premier auteur Christopher Anderson, ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Jelena Vuckovic, maintenant professeur à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign.

Un matériau méconnu

Le STO n’est pas nouveau. Il est étudié depuis des décennies, mais jamais dans le contexte de l’optique cryogénique contrôlée électriquement. « Le STO n’est pas particulièrement spécial. Il n’est pas rare. Il n’est pas cher« , commente le co-premier auteur Giovanni Scuri, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Vuckovic. « En fait, il est souvent utilisé comme substitut du diamant en joaillerie ou comme substrat de croissance pour d’autres matériaux plus précieux. Bien qu’étant un matériau ‘classique’ étudié depuis des décennies, il performe exceptionnellement bien dans un contexte cryogénique.« 

Le choix du STO n’est pas le résultat d’une recherche exhaustive de candidats potentiels, mais ce n’était pas non plus un accident, a expliqué Christopher Anderson. « Nous savions quels ingrédients nous avions besoin pour créer un matériau hautement accordable. Nous avons constaté que ces ingrédients existaient déjà dans la nature, et nous les avons simplement utilisés dans une nouvelle recette. Le STO était le choix évident« , a-t-il dit. « Quand nous l’avons testé, étonnamment, il correspondait parfaitement à nos attentes. »

À partir de là, l’équipe a développé une compréhension de la manière d’optimiser les matériaux pour différentes conditions opérationnelles, a observé Giovanni Scuri, ajoutant : « Les idées que nous avons présentées peuvent également être appliquées pour découvrir d’autres matériaux non linéaires dans n’importe quel régime souhaité, ou pour améliorer les performances des matériaux existants. »

Les chercheurs ont été surpris par les performances du STO. Dans des tests de laboratoire réalisés à 5 degrés Kelvin (-450 °F), ils ont noté des non-linéarités environ 20 fois supérieures au meilleur matériau optique non linéaire connu, le niobate de lithium, et presque le triple du matériau cryogénique précédemment le plus performant, le titanate de baryum. Dans d’autres expériences, les chercheurs ont utilisé leur connaissance des ingrédients souhaités pour une performance optimale en substituant des isotopes d’oxygène dans le cristal. Cela a poussé le STO vers un seuil clé connu sous le nom de criticité quantique, avec des résultats encore plus impressionnants.

« En ajoutant seulement deux neutrons à exactement 33 pour cent des atomes d’oxygène dans le matériau, l’accordabilité résultante a augmenté d’un facteur de quatre « , a noté Christopher Anderson. « Nous avons précisément ajusté notre recette pour obtenir la meilleure performance possible.« 

Les prochaines étapes

Le STO possède d’autres attributs pratiques qui devraient attirer les ingénieurs, a déclaré l’équipe. Il peut être synthétisé. Il peut être modifié structurellement pour affiner ses propriétés, comme avec les isotopes d’oxygène. Et il peut être traité en utilisant un équipement de fabrication conventionnel, le tout à l’échelle des plaquettes. Toutes ces caractéristiques suggèrent un grand potentiel pour une adoption plus large du STO dans les applications quantiques cryogéniques, telles que les commutateurs pour lasers permettant aux ordinateurs quantiques de transmettre ou de manipuler des données.

Vuckovic a noté que l’étude était en partie financée par l’industrie – Samsung et l’équipe d’informatique quantique de Google, qui recherchent précisément de tels nouveaux matériaux pour des dispositifs propulsant leurs efforts. Elle et son équipe tournent maintenant leurs regards vers la réalisation de nouveaux dispositifs cryogéniques basés sur le titanate de strontium.

« Nous avons trouvé ce matériau sur l’étagère. Nous l’avons utilisé et c’était incroyable. Nous avons compris pourquoi il était bon. Puis – la cerise sur le gâteau – nous savions comment faire mieux, avons ajouté cette sauce spéciale, et nous avons créé le meilleur matériau au monde pour ces applications« , a conclu Christopher Anderson. « C’est une belle histoire. »

Pour plus d’informations

En plus du financement fourni par Samsung Electronics et Google, l’étude a été soutenue par une bourse Vannevar Bush Faculty du département de la Défense des États-Unis, et par le département de l’Énergie dans le cadre du programme Q-NEXT.

Les auteurs supplémentaires incluent Aaron Chan et Lu Li de l’Université du Michigan ; Sungjun Eun, Alexander D. White, Geun Ho Ahn, Amir Safavi-Naeini et Kasper Van Gasse du laboratoire E. L. Ginzton, Université de Stanford ; et Christine Jilly des Stanford Nano Shared Facilities.

Article : « Quantum critical electro-optic and piezo-electric nonlinearities » – DOI : 10.1126/science.adx8657

Source : Stanford U.