Quando si parla di superconduttività e computer quantistici, spesso si dimentica un dettaglio cruciale: queste tecnologie all'avanguardia funzionano soltanto a temperature criogeniche, prossime allo zero assoluto. Un ambiente così estremo rappresenta una sfida enorme, poiché la maggior parte dei materiali perde le proprie caratteristiche fisiche desiderabili quando viene sottoposta a un freddo così intenso. Questa limitazione ha frenato per anni lo sviluppo di dispositivi ottici e meccanici capaci di operare in condizioni così proibitive.
Un gruppo di ingegneri della Stanford University ha però individuato una soluzione inaspettata in un materiale tutt'altro che esotico: il titanato di stronzio, abbreviato in STO. Contrariamente a quanto accade con altri composti, le proprietà ottiche e meccaniche di questo cristallo non si deteriorano alle temperature estreme, ma addirittura migliorano in modo spettacolare. La ricerca, pubblicata sulla rivista Science, descrive prestazioni che superano di gran lunga quelle dei materiali attualmente in uso.
Il titanato di stronzio non è una scoperta recente. Per decenni è stato studiato in laboratorio e utilizzato per scopi poco nobili: come imitazione economica dei diamanti in gioielleria o come substrato di crescita per altri materiali più preziosi. "L'STO non è particolarmente speciale, non è raro né costoso", spiega Giovanni Scuri, ricercatore postdottorale nel laboratorio della professoressa Jelena Vuckovic. Eppure, nonostante sia considerato un materiale "da manuale", nessuno aveva mai esplorato il suo comportamento nel contesto dell'ottica criogenica controllata elettricamente.
I risultati hanno sorpreso gli stessi ricercatori. Durante i test condotti a 5 gradi Kelvin (circa -268 gradi Celsius), il titanato di stronzio ha dimostrato effetti elettro-ottici quaranta volte più potenti rispetto al niobato di litio, il materiale elettro-ottico più utilizzato oggi. Le non-linearità osservate erano venti volte superiori a quelle del niobato di litio e quasi triple rispetto al titanato di bario, fino a quel momento considerato il miglior materiale criogenico disponibile.
Ma cosa significa esattamente "non-lineare" in questo contesto? Quando viene applicato un campo elettrico, l'STO modifica significativamente le proprie proprietà ottiche e meccaniche. Questa non-linearità ottica permette di alterare la frequenza, la fase, l'intensità e la direzione della luce in modi e gradi impossibili per altri materiali. Gli ingegneri possono sfruttare questi effetti per creare dispositivi a bassa temperatura completamente nuovi, non realizzabili altrimenti.
Christopher Anderson, primo coautore dello studio e ora docente all'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, sottolinea un ulteriore vantaggio: "A bassa temperatura, il titanato di stronzio non è solo il materiale ottico più elettricamente regolabile che conosciamo, ma è anche il materiale più regolabile piezoelettricamente". Questa caratteristica piezoelettrica significa che il cristallo si espande e si contrae fisicamente quando viene sottoposto a un campo elettrico, aprendo la strada a nuovi dispositivi elettromeccanici criogenici.
La scelta dell'STO non è stata casuale, ma nemmeno il risultato di una ricerca esaustiva tra innumerevoli candidati. "Sapevamo quali ingredienti servivano per creare un materiale altamente regolabile", racconta Anderson. "Abbiamo scoperto che quegli ingredienti esistevano già in natura e li abbiamo semplicemente usati in una nuova ricetta. L'STO era la scelta ovvia, e sorprendentemente ha soddisfatto perfettamente le nostre aspettative".
Il team non si è fermato alle prestazioni già eccezionali del materiale naturale. Applicando la loro comprensione teorica di quali elementi fossero necessari per ottenere prestazioni ottimali, i ricercatori hanno sostituito isotopi di ossigeno nella struttura cristallina. Modificando esattamente il 33% degli atomi di ossigeno con versioni contenenti due neutroni aggiuntivi, hanno spinto il materiale verso una soglia chiave nota come criticità quantistica. Il risultato? Un ulteriore aumento di quattro volte della regolabilità.
Le applicazioni pratiche di questa scoperta potrebbero essere rivoluzionarie per il calcolo quantistico e l'esplorazione spaziale. Jelena Vuckovic, professoressa di ingegneria elettrica e autrice senior dello studio, evidenzia che "il titanato di stronzio funziona anche a temperature criogeniche, il che è vantaggioso per costruire trasduttori e interruttori quantistici che rappresentano attualmente colli di bottiglia nelle tecnologie quantistiche". Non è un caso che la ricerca sia stata finanziata in parte da Samsung e dal team di calcolo quantistico di Google, aziende attivamente alla ricerca di nuovi materiali per i loro dispositivi.
Oltre alle prestazioni straordinarie, l'STO presenta vantaggi pratici che dovrebbero attrarre ingegneri e produttori. Può essere sintetizzato, modificato strutturalmente per ottimizzarne le proprietà e lavorato con attrezzature di fabbricazione convenzionali, tutto su scala industriale. Queste caratteristiche suggeriscono un grande potenziale per un'adozione più ampia del titanato di strontio in applicazioni quantistiche criogeniche, come interruttori per laser che permettono ai computer quantistici di trasmettere o manipolare dati.
Le proprietà piezoelettriche del materiale potrebbero risultare particolarmente preziose negli spazi freddi dello spazio esterno o nei serbatoi di carburante criogenico dei razzi, dove le temperature estreme sono la norma. Il team di Stanford sta ora rivolgendo la propria attenzione alla realizzazione di nuovi dispositivi criogenici basati su questo cristallo versatile.
Scuri sottolinea che le idee presentate nella ricerca possono essere applicate anche per scoprire altri materiali non-lineari in qualsiasi regime desiderato, o per migliorare le prestazioni di quelli esistenti. La metodologia sviluppata dal team rappresenta quindi non solo una scoperta specifica, ma un approccio sistematico all'ottimizzazione dei materiali per diverse condizioni operative.