Ingenjörer vid Stanford University har upptäckt att strontiumnitrat, ett vanligt material, uppvisar överlägsna optiska och mekaniska egenskaper vid kryogena temperaturer nära absolut noll. Detta genombrott kan främja kvantdatorer, lasrar och rymdforskning genom att möjliggöra högpresterande enheter i extrem kyla. Resultaten, publicerade i Science, belyser materialets icke-linjära och piezoelektriska egenskaper som överträffar befintliga alternativ.
Strontiumnitrat (STO) har länge ignorerats som en billig och riklig substans, ofta använd som diamantersättning i smycken eller som substrat för andra material. Ny forskning från Stanford University avslöjar dock dess exceptionella prestanda under kryogena förhållanden, vilket utmanar förväntningarna för de flesta material som försvagas nära absolut noll.
I en studie publicerad i Science den 8 november 2025 (volym 390, nummer 6771, sida 394; DOI: 10.1126/science.adx8657) testades STO vid 5 Kelvin (-450°F). Dess icke-linjära optiska respons visade sig vara 20 gånger större än litiumniobat, det ledande icke-linjära optiska materialet, och nästan tredubbla bariumtitanat, det tidigare kryogena referensvärdet. "Strontiumnitrat har elektro-optiska effekter 40 gånger starkare än det mest använda elektro-optiska materialet idag. Men det fungerar också vid kryogena temperaturer, vilket är fördelaktigt för att bygga kvanttransduktorer och brytare som är nuvarande flaskhalsar i kvantteknologier," sade huvudförfattaren Jelena Vuckovic, professor i elektroteknik vid Stanford.
Materialets elektro-optiska effekter möjliggör dramatiska förändringar i ljusets frekvens, intensitet, fas och riktning när ett elektriskt fält appliceras. Som piezoelektrisk substans expanderar och drar sig STO samman som svar på elektriska fält, vilket gör det lämpligt för elektromekaniska komponenter i rymdvakuum eller raketbränslesystem. "Vid låg temperatur är strontiumnitrat inte bara det mest elektriskt justerbara optiska materialet vi känner till, utan också det mest piezoelektriskt justerbara materialet," noterade medförfattaren Christopher Anderson, nu vid University of Illinois, Urbana-Champaign.
För att förbättra justerbarheten ersatte teamet syreatomer med tyngre isotoper, genom att lägga till två neutroner till exakt 33 procent av dem, vilket ökade prestandan med en faktor fyra och närmade sig kvantkritikalitet. "STO är inte särskilt speciellt. Det är inte sällsynt. Det är inte dyrt," tillade medförfattaren Giovanni Scuri, en postdoktoralforskare i Vuckovics labb.
Delvis finansierad av Samsung Electronics och Googles kvantdatoravdelning banar forskningen väg för våffelskalig tillverkning av kryogena enheter som laserbaserade kvantbrytare. Bidragsgivare inkluderar Aaron Chan och Lu Li från University of Michigan, tillsammans med Stanfords Sungjun Eun, Alexander D. White, Geun Ho Ahn, Amir Safavi-Naeini, Kasper Van Gasse och Christine Jilly från Stanford Nano Shared Facilities. Teamet siktar på att utveckla fullt fungerande enheter baserade på STO:s egenskaper.