La mayoría de los materiales tiran la toalla cuando las temperaturas caen hacia el cero absoluto. Sus propiedades útiles se desvanecen, sus estructuras se debilitan y los ingenieros se ven obligados a buscar alternativas. Pero el titanato de estroncio, un cristal tan común que se ha utilizado como diamante falso en joyería de fantasía, hace algo inesperado: mejora.
Un equipo de la Universidad de Stanford ha descubierto que este material de “libro de texto”, estudiado durante décadas pero nunca en un contexto criogénico, supera a cualquier otra sustancia conocida cuando se somete al frío brutal necesario para las computadoras cuánticas y la tecnología espacial. A 5 grados Kelvin (es decir, 450 grados Fahrenheit negativos), la capacidad del titanato de estroncio para manipular la luz utilizando campos eléctricos se vuelve aproximadamente 40 veces más fuerte que la del niobato de litio, el estándar actual de la industria. También triplica el rendimiento del titanato de bario, que anteriormente era la mejor opción criogénica.
Los hallazgos, publicados en Science, sugieren que los ingenieros han estado pasando por alto a una estrella escondida a plena vista.
Los campos eléctricos se encuentran con las ondas de luz
El titanato de estroncio (STO, como lo llaman los investigadores) pertenece a una clase de materiales con propiedades ópticas “no lineales”. Aplique un campo eléctrico y STO doblará, redirigirá y remodelará la luz de maneras que la mayoría de las sustancias no pueden. Este efecto electroóptico permite a los ingenieros construir interruptores, moduladores y convertidores de frecuencia para láseres y sistemas cuánticos.
Pero aquí está el giro: mientras que la mayoría de los materiales pierden su encanto con el frío extremo, STO se convierte en un virtuoso.
“El titanato de estroncio tiene efectos electroópticos 40 veces más potentes que el material electroóptico más utilizado en la actualidad. Pero también funciona a temperaturas criogénicas, lo que resulta beneficioso para construir transductores e interruptores cuánticos que actualmente constituyen cuellos de botella en las tecnologías cuánticas”.
Esa es Jelena Vuckovic, profesora de ingeniería eléctrica en Stanford y autora principal del estudio. Su laboratorio no buscaba compuestos exóticos ni elementos de tierras raras. Buscaban algo práctico.
Christopher Anderson, coautor principal y ex becario postdoctoral en el laboratorio de Vuckovic (ahora en la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign), explicó que la elección era casi obvia una vez que identificaron los ingredientes ideales. STO marcó todas las casillas. Cuando lo probaron, los resultados coincidieron con sus expectativas, lo cual es poco común en la física experimental.
Un material con dos talentos
STO no se limita a la manipulación ligera. También es piezoeléctrico, lo que significa que físicamente se expande y contrae cuando se le aplica voltaje. Esta capacidad de respuesta mecánica, combinada con su destreza óptica, lo convierte en una doble amenaza para las aplicaciones criogénicas. Imaginemos sensores para telescopios espaciales, actuadores en tanques de combustible para cohetes o interruptores mecánicos en circuitos cuánticos. Todos estos podrían beneficiarse de un material que siga siendo funcional en el frío vacío del espacio o en las gélidas entrañas de un refrigerador de dilución.
El equipo de investigación fue más allá. Intercambiaron algunos de los átomos de oxígeno en la red cristalina de STO con isótopos más pesados, un ajuste delicado que acercó el material a un fenómeno llamado criticidad cuántica. ¿El resultado? El rendimiento se multiplicó por cuatro.
“Al agregar sólo dos neutrones a exactamente el 33 por ciento de los átomos de oxígeno en el material, la capacidad de sintonización resultante aumentó en un factor de cuatro. Ajustamos con precisión nuestra receta para obtener el mejor rendimiento posible”.
Esa cita, también de Anderson, deja entrever la elegancia de la obra. Esta no fue una búsqueda de materiales por fuerza bruta. Fue química estratégica.
Giovanni Scuri, investigador postdoctoral en el laboratorio de Vuckovic y coautor principal, enfatizó que la STO no es ni rara ni costosa. Se ha producido en masa durante años como sustrato para el cultivo de otros materiales y como sustituto del diamante en joyería. Sin embargo, a pesar de estar ampliamente documentado en los libros de texto de ciencia de materiales, hasta ahora nadie lo había probado seriamente en sistemas ópticos criogénicos controlados eléctricamente.
Las implicaciones se extienden a múltiples industrias. Las computadoras cuánticas, que requieren temperaturas cercanas al cero absoluto para mantener la coherencia en sus qubits, podrían usar conmutadores basados en STO para enrutar información entre procesadores y canales de comunicación. Las agencias espaciales podrían desplegar sensores STO en satélites o sondas del espacio profundo, donde las temperaturas oscilan naturalmente cerca de niveles criogénicos. Incluso las aplicaciones terrestres, como los sistemas láser avanzados y las herramientas de medición de precisión, podrían experimentar mejoras en el rendimiento.
Vuckovic señaló que el estudio recibió financiación de Samsung y del equipo de computación cuántica de Google, los cuales están buscando activamente materiales que puedan manejar las demandas de los dispositivos de próxima generación. El hecho de que STO pueda sintetizarse, modificarse y procesarse utilizando equipos de fabricación de semiconductores estándar lo hace aún más atractivo para su adopción a gran escala.
El equipo de Stanford ahora está pasando del descubrimiento al desarrollo, trabajando en dispositivos reales construidos a partir de titanato de estroncio. Queda por ver si esos dispositivos estarán a la altura del notable rendimiento de laboratorio del material. Pero si lo hacen, el humilde cristal que alguna vez jugó un papel secundario como imitación de diamante podría finalmente tener su momento en el centro de atención, incluso si ese foco brilla a 450 grados negativos.
Ciencia: 10.1126/science.adq6414
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