- Engenheiros da Universidade de Stanford descobriram um material notável, o titanato de estrôncio (STO), que tem um desempenho ainda melhor em condições extremamente frias. A baixas temperaturas, as suas propriedades ópticas e mecânicas não são enfraquecidas, mas melhoradas.
- O STO superou todos os materiais comparáveis testados em ambientes criogênicos, demonstrando resistência, estabilidade e capacidade de ajuste superiores.
- As suas capacidades únicas poderão acelerar os avanços na computação quântica, nos sistemas laser e na exploração espacial, onde o alto desempenho em condições de congelamento é fundamental.
A supercondutividade e a computação quântica passaram da física teórica para a inovação do mundo real. O Prêmio Nobel de Física de 2025 reconhece avanços em circuitos quânticos supercondutores que podem levar a computadores ultrapoderosos. No entanto, muitas destas técnicas só funcionam a baixas temperaturas (próximas do zero absoluto), altura em que a maioria dos materiais perde as suas propriedades definidoras. Encontrar materiais que funcionem em um frio tão extremo tem sido um dos maiores obstáculos da ciência.
Cristal que resiste ao frio
em um novo ciência Na publicação, os engenheiros de Stanford relatam um avanço no titanato de estrôncio (STO), um material que não apenas mantém, mas também melhora suas propriedades ópticas e mecânicas sob condições de congelamento. Em vez de se deteriorar, tornou-se mais resistente, muito superior a outros materiais conhecidos. Os pesquisadores acreditam que a descoberta pode abrir as portas para novos dispositivos criogênicos mecânicos baseados em luz que poderiam promover a computação quântica, a exploração espacial e outras tecnologias avançadas.
“O efeito eletro-óptico do titanato de estrôncio é 40 vezes mais poderoso do que os materiais eletro-ópticos mais comumente usados hoje. Mas também pode operar em baixas temperaturas, o que é benéfico para a construção de sensores e interruptores quânticos que atualmente são o gargalo da tecnologia quântica, “explicou Jelena Vuckovic, autora sênior do estudo e professora de engenharia elétrica na Universidade de Stanford.
Ultrapassando os limites de desempenho
O comportamento óptico do STO é “não linear”, o que significa que suas propriedades ópticas e mecânicas mudam drasticamente quando um campo elétrico é aplicado. Este efeito eletro-óptico permite aos cientistas ajustar a frequência, intensidade, fase e direção da luz de uma forma que outros materiais não conseguem. Essa versatilidade permite tipos inteiramente novos de equipamentos criogênicos.
O STO também é piezoelétrico, o que significa que se expande e contrai fisicamente em resposta a um campo elétrico. Isto o torna ideal para o desenvolvimento de novos componentes eletromecânicos que operam com eficiência em condições extremamente frias. Os pesquisadores dizem que essas capacidades seriam particularmente valiosas para uso no vácuo do espaço ou em sistemas de combustível criogênico para foguetes.
“Em baixas temperaturas, o titanato de estrôncio não é apenas o material óptico mais sintonizável eletricamente que conhecemos, mas também é o material mais sintonizável piezoeletricamente”, disse o co-autor Christopher Anderson, agora membro do corpo docente da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.
Materiais negligenciados encontram novos usos
O titanato de estrôncio não é uma substância recentemente descoberta. Foi estudado há décadas e é barato e abundante. “O STO não é particularmente especial, nem é raro, nem é caro”, disse o co-primeiro autor Giovanni Scuri, pós-doutorado no laboratório de Vuckovic. “Na verdade, é frequentemente usado como substituto do diamante em joias ou como substrato para o cultivo de outros materiais mais valiosos. Embora seja um material de ‘livro didático’, ele funciona muito bem em ambientes de baixa temperatura.”
A decisão de testar o STO foi baseada no conhecimento de que as propriedades do material são altamente ajustáveis. “Sabíamos quais ingredientes eram necessários para fazer materiais altamente ajustáveis. Descobrimos que esses ingredientes já existem na natureza e apenas os usamos em novas formulações. STO foi a escolha óbvia”, disse Anderson. “Quando tentamos, surpreendentemente, fez exatamente o que esperávamos.”
Scuri acrescentou que a estrutura desenvolvida poderia ajudar a identificar ou aprimorar outros materiais não lineares sob diversas condições operacionais.
Desempenho recorde perto do zero absoluto
Os pesquisadores ficaram chocados com o desempenho do STO quando testado a 5 Kelvin (-450°F). Sua resposta óptica não linear é 20 vezes maior que a do principal material óptico não linear, o niobato de lítio, e quase três vezes maior que a do anterior titanato de bário de referência de baixa temperatura.
Para melhorar ainda mais o seu desempenho, a equipe substituiu alguns dos átomos de oxigênio do cristal por isótopos mais pesados. Esse ajuste aproxima o STO de um estado denominado criticidade quântica, resultando em maior sintonizabilidade.
“Ao adicionar dois nêutrons a 33 por cento dos átomos de oxigênio no material, a sintonização resultante aumenta quatro vezes”, disse Anderson. “Ajustamos com precisão a receita para um desempenho ideal.”
Construindo o futuro dos equipamentos criogênicos
Os STOs também apresentam vantagens práticas na atração de engenheiros, disse a equipe. Pode ser sintetizado, modificado estruturalmente e fabricado em nível de wafer usando equipamentos semicondutores existentes. Esses recursos os tornam ideais para dispositivos quânticos de próxima geração, como switches baseados em laser para controlar e transmitir informações quânticas.
A pesquisa foi financiada em parte pela Samsung Electronics e pelo braço de computação quântica do Google, que buscam materiais para melhorar seu hardware quântico. O próximo objetivo da equipe é projetar um dispositivo criogênico totalmente funcional baseado nas características únicas do STO.
“Encontramos esse material na prateleira. Nós o usamos e foi ótimo. Entendemos por que era ótimo. E o resultado final: sabíamos como fazer melhor, adicionamos um molho especial e fizemos o melhor material do mundo para essas aplicações”, disse Anderson. “É uma ótima história.”
Além da Samsung e do Google, esta pesquisa foi apoiada por uma bolsa do corpo docente Vannevar Bush por meio do programa Q-NEXT dos Departamentos de Defesa e Energia dos EUA.
Os colaboradores incluem Aaron Chan e Lu Li, da Universidade de Michigan; Sungjun Eun, Alexander D. White, Geun Ho Ahn, Amir Safavi-Naeini e Kasper Van Gasse do Laboratório EL Ginzton da Universidade de Stanford; e Christine Jilly, da Stanford Nanoshares Facility.
