Ακόμη ένα «ταπεινό» κρύσταλλο αφήνει υποσχέσεις για την πρόοδο της κβαντικής τεχνολογίας
Η υπεραγωγιμότητα και η κβαντική πληροφορική μπορεί να ακούγονται σαν έννοιες βγαλμένες από επιστημονική φαντασία, όμως πλέον βρίσκονται στο επίκεντρο της τεχνολογικής έρευνας και των βραβείων Nobel. Το 2025, η Σουηδική Ακαδημία τίμησε τους επιστήμονες που άνοιξαν τον δρόμο για τα υπεραγώγιμα κβαντικά κυκλώματα, θεμέλιο των υπολογιστών του μέλλοντος. Όμως, πίσω από αυτές τις εντυπωσιακές εφαρμογές κρύβεται ένα μεγάλο εμπόδιο: η λειτουργία τους απαιτεί εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, κοντά στο απόλυτο μηδέν, όπου ελάχιστα υλικά μπορούν να επιβιώσουν χωρίς να «καταρρεύσουν» οι φυσικές τους ιδιότητες.
Μια νέα έρευνα από το Stanford University, που δημοσιεύθηκε στο Science, δείχνει ότι ένα κοινό και σχετικά παραγνωρισμένο ορυκτό, το τιτανικό στρόντιο (ή STO), ίσως αποτελέσει τη λύση. Σε συνθήκες ψύξης κοντά στο απόλυτο μηδέν, όχι μόνο διατηρεί τις ηλεκτροοπτικές και μηχανικές του ιδιότητες, αλλά τις ενισχύει θεαματικά φτάνοντας να ξεπερνά τα υπάρχοντα υλικά δεκάδες φορές σε απόδοση. Το αποτέλεσμα; Ένα πιθανό θεμέλιο για την επόμενη γενιά κβαντικών και φωτονικών συσκευών.
Η Jelena Vuckovic, καθηγήτρια ηλεκτρολογίας και επικεφαλής της μελέτης, εξηγεί ότι το τιτανικό στρόντιο εμφανίζει ηλεκτροοπτικά φαινόμενα έως και 40 φορές ισχυρότερα από τα καλύτερα υλικά που χρησιμοποιούνται σήμερα. Ακόμη πιο εντυπωσιακό είναι ότι αυτές οι ιδιότητες δεν μειώνονται στις χαμηλές θερμοκρασίες – αντιθέτως, βελτιώνονται. Αυτό καθιστά το STO ιδανικό για τη δημιουργία κβαντικών μετατροπέων και διακοπτών, βασικών εξαρτημάτων για την επικοινωνία και τον έλεγχο σε κβαντικά συστήματα.
Η «μαγεία» του STO βρίσκεται στη μη γραμμικότητά του. Όταν του ασκηθεί ηλεκτρικό πεδίο, μεταβάλλει τις οπτικές και μηχανικές του ιδιότητες με τρόπους που λίγα άλλα υλικά μπορούν να επιτύχουν. Αυτή η δυνατότητα ελέγχου του φωτός – στη συχνότητα, τη φάση ή ακόμη και τη γωνία διάθλασης – ανοίγει νέους δρόμους για τη σχεδίαση φωτονικών συστημάτων που μπορούν να λειτουργούν στα απόλυτα άκρα του ψύχους.
Επιπλέον, το τιτανικό στρόντιο είναι πιεζοηλεκτρικό: μεταβάλλει το σχήμα του όταν δέχεται ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε ηλεκτρομηχανικές συσκευές που λειτουργούν σε συνθήκες ψύξης, από αισθητήρες σε διαστημικά περιβάλλοντα μέχρι μηχανισμούς στους δεξαμενές καυσίμων πυραύλων. «Σε χαμηλές θερμοκρασίες, το STO δεν είναι απλώς το πιο εύκολα ρυθμιζόμενο οπτικά υλικό που γνωρίζουμε, αλλά και το πιο ευαίσθητο πιεζοηλεκτρικά», σημειώνει ο Christopher Anderson, μέλος της ερευνητικής ομάδας και πλέον καθηγητής στο University of Illinois.
Παρότι ακούγεται καινοτόμο, το STO κάθε άλλο παρά νέο είναι. Το συγκεκριμένο κρύσταλλο έχει μελετηθεί επί δεκαετίες και μάλιστα χρησιμοποιείται εμπορικά ως φτηνό υποκατάστατο του διαμαντιού σε κοσμήματα. «Δεν είναι σπάνιο, ούτε ακριβό – είναι ένα συνηθισμένο, σχεδόν “βαρετό” υλικό», λέει ο Giovanni Scuri, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο της Vuckovic. «Κι όμως, όταν το εξετάσαμε σε κρυογενείς συνθήκες, ανακάλυψαμε πως αποδίδει εξαιρετικά.»
Η επιλογή του STO δεν προέκυψε τυχαία. Οι ερευνητές γνώριζαν ποια «συστατικά» χρειάζονται για να επιτύχουν υψηλή ρυθμιζόμενη απόδοση και διαπίστωσαν ότι όλα υπήρχαν ήδη μέσα στο συγκεκριμένο ορυκτό.
Σε δοκιμές στους 5 βαθμούς Kelvin (δηλαδή περίπου στους -268°C) το τιτανικό στρόντιο έδειξε μη γραμμικότητα 20 φορές ισχυρότερη από το νιοβικό λίθιο, το πιο διαδεδομένο υλικό σήμερα, και σχεδόν τριπλάσια από το προηγούμενο κορυφαίο κρυογενές υλικό, το τιτανιούχο βάριο. Οι ερευνητές, πειραματιζόμενοι περαιτέρω, αντικατέστησαν ορισμένα άτομα οξυγόνου του κρυστάλλου με ισότοπα, φέρνοντάς το σε μια κρίσιμη «κβαντική» ισορροπία που ενίσχυσε ακόμη περισσότερο την απόδοση.
Το STO διαθέτει και μια ακόμη κρίσιμη ιδιότητα: είναι εύκολο να κατασκευαστεί. Μπορεί να συντεθεί τεχνητά, να τροποποιηθεί στη δομή του και να παραχθεί σε επίπεδο wafer, χρησιμοποιώντας συμβατικό εξοπλισμό μικροηλεκτρονικής. Αυτό σημαίνει πως οι ερευνητές μπορούν να το ενσωματώσουν απευθείας στις υπάρχουσες γραμμές παραγωγής, χωρίς την ανάγκη εξωτικών διαδικασιών ή σπάνιων πόρων.
Η βιομηχανία ήδη δείχνει ενδιαφέρον. Σύμφωνα με τη Vuckovic, η έρευνα χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από τη Samsung και την ομάδα κβαντικής πληροφορικής της Google, δύο εταιρείες που αναζητούν νέα υλικά για πιο αποδοτικές, χαμηλής θερμοκρασίας συσκευές. Το επόμενο βήμα, λέει, είναι η δημιουργία πλήρως λειτουργικών πρωτοτύπων που βασίζονται στο STO.
[source]
