اكتشف مهندسون في جامعة ستانفورد أن تيتانات السترونتيوم، وهو مادة شائعة، يظهر خصائص بصرية وميكانيكية فائقة عند درجات حرارة باردة قريبة من الصفر المطلق. يمكن لهذا الاختراق أن يدفع الحوسبة الكمومية والليزر واستكشاف الفضاء من خلال تمكين أجهزة عالية الأداء في البرد الشديد. تسلط النتائج، المنشورة في مجلة Science، الضوء على قدرات المادة غير الخطية والبيزوكهربائية التي تفوق البدائل الحالية.
تيتانات السترونتيوم (STO) تم تجاهلها لفترة طويلة كمادة رخيصة ووفيرة، غالبًا ما تستخدم كبديل للماس في المجوهرات أو كركيزة لمواد أخرى. ومع ذلك، تكشف بحث جديد من جامعة ستانفورد عن أدائها الاستثنائي تحت الظروف الباردة، مما يتحدى التوقعات لمعظم المواد التي تضعف قرب الصفر المطلق.
في دراسة نُشرت في مجلة Science في 8 نوفمبر 2025 (المجلد 390، العدد 6771، الصفحة 394؛ DOI: 10.1126/science.adx8657)، اختبر الباحثون STO عند 5 كلفن (-450 درجة فهرنهايت). أثبتت استجابتها البصرية غير الخطية أنها أكبر 20 مرة من نيوبات الليثيوم، المادة البصرية غير الخطية الرائدة، وتقريبًا ثلاثة أضعاف تلك لتيتانات الباريوم، المعيار البارد السابق. "تيتانات السترونتيوم لديها تأثيرات كهروبصرية أقوى 40 مرة من المادة الكهروبصرية الأكثر استخدامًا اليوم. لكنها تعمل أيضًا عند درجات حرارة باردة، مما يفيد في بناء محولات كمومية ومفاتيح هي حاليًا عنق الزجاجة في التقنيات الكمومية"، قالت المؤلفة الرئيسية جيلينا فوكوفيتش، أستاذة هندسة كهربائية في ستانفورد.
تسمح تأثيرات المادة الكهروبصرية بتغييرات دراماتيكية في تردد الضوء وشدته وطوره واتجاهه عند تطبيق مجال كهربائي. كمادة بيزوكهربائية، يتمدد STO ويتقلص استجابة للحقول الكهربائية، مما يجعله مناسبًا للمكونات الكهروميكانيكية في الفراغات الفضائية أو أنظمة وقود الصواريخ. "عند درجة حرارة منخفضة، ليس تيتانات السترونتيوم فقط المادة البصرية الأكثر قابلية للتعديل كهربائيًا التي نعرفها، بل إنها أيضًا المادة الأكثر قابلية للتعديل بيزوكهربائيًا"، لاحظ المؤلف المشارك الأول كريستوفر أندرسون، الذي يعمل الآن في جامعة إلينوي، أوربانا-شامبين.
لتحسين القابلية للتعديل، استبدل الفريق ذرات الأكسجين بإيزوتوبات أثقل، مضيفًا نيوترونين إلى 33 بالمائة منها بالضبط، مما يعزز الأداء بعامل أربعة ويقترب من النقدية الكمومية. "STO ليست خاصة بشكل خاص. ليست نادرة. ليست مكلفة"، أضاف المؤلف المشارك الأول جوفاني سكوري، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر فوكوفيتش.
ممول جزئيًا من قبل سامسونج إلكترونيكس وفرع الحوسبة الكمومية في جوجل، يمهد البحث الطريق لتصنيع أجهزة باردة على نطاق رقاقة مثل مفاتيح كمومية قائمة على الليزر. يشمل المساهمون آرون تشان وليو لي من جامعة ميشيغان، بالإضافة إلى سونغجون يون وألكسندر د. وايت وجيون هو أهن وأمير صفاوي-ناعيني وكاسبر فان غاس وكريستين جيلي من مرافق نانو مشتركة في ستانفورد. يهدف الفريق إلى تطوير أجهزة وظيفية كاملة بناءً على خصائص STO.