Des ingénieurs de l'Université de Stanford ont découvert que le titanate de strontium, un matériau courant, présente des propriétés optiques et mécaniques supérieures à des températures cryogéniques proches du zéro absolu. Cette avancée pourrait faire progresser l'informatique quantique, les lasers et l'exploration spatiale en permettant des dispositifs haute performance dans un froid extrême. Les résultats, publiés dans Science, mettent en lumière les capacités non linéaires et piézoélectriques du matériau qui surpassent les alternatives existantes.
Le titanate de strontium (STO) a longtemps été négligé en tant que substance bon marché et abondante, souvent utilisée comme substitut du diamant dans les bijoux ou comme substrat pour d'autres matériaux. Cependant, une nouvelle recherche de l'Université de Stanford révèle ses performances exceptionnelles dans des conditions cryogéniques, contredisant les attentes pour la plupart des matériaux qui s'affaiblissent près du zéro absolu.
Dans une étude publiée dans Science le 8 novembre 2025 (volume 390, numéro 6771, page 394 ; DOI : 10.1126/science.adx8657), les chercheurs ont testé le STO à 5 Kelvin (-450 °F). Sa réponse optique non linéaire s'est avérée 20 fois supérieure à celle du niobate de lithium, le matériau optique non linéaire leader, et presque triple celle du titanate de baryum, le benchmark cryogénique précédent. « Le titanate de strontium a des effets électro-optiques 40 fois plus forts que le matériau électro-optique le plus utilisé aujourd'hui. Mais il fonctionne aussi à des températures cryogéniques, ce qui est bénéfique pour construire des transducteurs et des commutateurs quantiques qui sont des goulots d'étranglement actuels dans les technologies quantiques », a déclaré l'auteure principale Jelena Vuckovic, professeure d'ingénierie électrique à Stanford.
Les effets électro-optiques du matériau permettent des changements dramatiques dans la fréquence, l'intensité, la phase et la direction de la lumière lorsqu'un champ électrique est appliqué. En tant que substance piézoélectrique, le STO se dilate et se contracte en réponse aux champs électriques, le rendant adapté aux composants électromécaniques dans les vides spatiaux ou les systèmes de carburant de fusée. « À basse température, non seulement le titanate de strontium est le matériau optique le plus ajustable électriquement que nous connaissions, mais c'est aussi le matériau le plus ajustable piézoélectriquement », a noté le co-auteur principal Christopher Anderson, maintenant à l'Université de l'Illinois, Urbana-Champaign.
Pour améliorer l'ajustabilité, l'équipe a remplacé des atomes d'oxygène par des isotopes plus lourds, en ajoutant deux neutrons à exactement 33 pour cent d'entre eux, augmentant les performances d'un facteur quatre et approchant la criticité quantique. « Le STO n'est pas particulièrement spécial. Il n'est pas rare. Il n'est pas cher », a ajouté le co-auteur principal Giovanni Scuri, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Vuckovic.
Financé en partie par Samsung Electronics et la division d'informatique quantique de Google, la recherche pave la voie à la fabrication à l'échelle de plaquettes de dispositifs cryogéniques comme des commutateurs quantiques basés sur laser. Les contributeurs incluent Aaron Chan et Lu Li de l'Université du Michigan, ainsi que Sungjun Eun, Alexander D. White, Geun Ho Ahn, Amir Safavi-Naeini, Kasper Van Gasse et Christine Jilly des Stanford Nano Shared Facilities. L'équipe vise à développer des dispositifs entièrement fonctionnels basés sur les propriétés du STO.