Nel cuore della corsa verso il calcolo quantistico, uno degli ostacoli più insidiosi si nasconde in un dettaglio apparentemente tecnico: a temperature prossime allo zero assoluto, dove operano processori quantistici e rivelatori di ultima generazione, i materiali convenzionali perdono drasticamente la capacità di controllare la luce. Questa capacità, nota come effetto elettro-ottico, è fondamentale per codificare, instradare e convertire informazioni nei circuiti fotonici che collegano i componenti quantistici. Un gruppo di ricercatori del centro belga imec, in collaborazione con le università di Lovanio e Gand, ha ora ingegnerizzato una soluzione che potrebbe sbloccare lo sviluppo di dispositivi quantistici più compatti ed efficienti, come riportato in uno studio pubblicato sulla rivista Science.
Il materiale al centro della scoperta è il titanato di stronzio (SrTiO₃), un cristallo ben conosciuto in fisica dello stato solido ma mai sfruttato appieno per applicazioni criogeniche. Il team guidato da Christian Haffner, con i dottorandi Anja Ulrich, Kamal Brahim e Andries Boelen, ha re-ingegnerizzato questo composto sotto forma di film sottile depositato su wafer di silicio da 200 millimetri, ottenendo prestazioni record proprio dove altri materiali falliscono: a 4 gradi Kelvin, circa -269°C.
Il risultato più significativo è un coefficiente di Pockels effettivo vicino a 350 picometri per volt a temperature criogeniche, il valore più alto mai registrato per un materiale elettro-ottico in film sottile a queste condizioni estreme. Il coefficiente di Pockels quantifica quanto cambia l'indice di rifrazione di un materiale quando sottoposto a un campo elettrico: valori più elevati permettono di modulare la luce con maggiore efficienza usando tensioni minori. Mentre la maggior parte dei materiali indebolisce questa risposta alle temperature ultra-basse, il film di SrTiO₃ ingegnerizzato mostra un comportamento opposto, mantenendo prestazioni eccezionali proprio dove servono.
La chiave dell'innovazione risiede nel controllo atomico della crescita del film cristallino. Le immagini al microscopio elettronico a trasmissione mostrano una cristallinità straordinaria, su cui è possibile mappare singole celle unitarie della struttura molecolare. Questa precisione nella fabbricazione ha permesso di trasformare il titanato di stronzio da materiale quantum-paraelettrico, che normalmente non presenta proprietà ferroelettriche, in un film crioferroelettrico con caratteristiche elettro-ottiche potenziate.
L'aspetto cruciale non è solo l'elevato coefficiente elettro-ottico, ma la combinazione con perdite ottiche contenute. Nei sistemi quantistici, ogni fotone perso rappresenta informazione irrecuperabile. Dispositivi più piccoli che mantengono l'efficienza senza disperdere fotoni sono essenziali per costruire reti quantistiche affidabili. Come sottolinea Haffner, autore corrispondente dello studio, questo apre una nuova strada materiale per componenti elettro-ottici compatti e a basse perdite a 4 gradi Kelvin, dimostrando come l'ingegneria dei materiali su scala atomica possa sbloccare progressi a livello di dispositivo.
La ricerca ha richiesto un approccio multidisciplinare complesso: crescita epitassiale controllata del film su substrati di silicio, tecniche avanzate di bonding dei wafer per garantire l'integrazione con le piattaforme fotoniche esistenti, e test ad alta precisione in camere criogeniche. Il processo è scalabile a livello industriale, utilizzando wafer standard da 200 millimetri compatibili con le linee di produzione per chip fotonici.
Lo studio di imec è stato pubblicato parallelamente a una ricerca del gruppo dell'Università di Stanford, alla quale gli stessi ricercatori belgi hanno contribuito. Il lavoro di Stanford dimostra che, attraverso un'accurata sintonizzazione, la risposta del titanato di stronzio ai campi elettrici tra 4 e 5 Kelvin può essere resa estremamente forte e regolabile. I due articoli, apparsi consecutivamente su Science, delineano insieme le potenzialità ancora inesplorate di questo materiale e forniscono le basi per la sua integrazione in film sottili su scala wafer con perdite ottiche ridotte.
Le implicazioni pratiche riguardano l'intera architettura dei futuri computer quantistici. Modulatori ottici, interconnessioni quantistiche e trasduttori che convertono segnali tra processori superconduttori e reti ottiche potrebbero beneficiare di componenti più corti e veloci basati su questo materiale. La possibilità di operare efficacemente alle temperature di lavoro dei circuiti quantistici elimina la necessità di complessi sistemi di interfaccia termica, semplificando l'architettura complessiva e riducendo i consumi energetici.
Gli autori principali dello studio evidenziano come questa scoperta fondamentale possa ora alimentare nuovi concetti di dispositivi per la fotonica quantistica, aprendo prospettive per l'integrazione su larga scala di reti elettro-ottiche criogeniche. Le prossime fasi della ricerca dovranno dimostrare dispositivi funzionanti basati su questi film, testarne l'affidabilità nel lungo periodo e verificare la compatibilità con le altre componenti dei sistemi quantistici.
