斯坦福发现神奇晶体，或将改变量子技术

斯坦福大学工程师发现了一种出色的材料——钛酸锶（STO），它在极低温环境下性能反而更优。与大多数材料在极低温时性能减弱不同，STO的光学和机械特性在极低温下会得到提升。在低温环境测试中，STO的性能超过了所有同类材料，展现出卓越的强度、稳定性和可调性。其独特性能有望加速量子计算、激光系统和太空探索等领域的发展，这些领域对极低温下的高性能材料有着迫切需求。

超导和量子计算已从理论物理走向现实创新。2025年诺贝尔物理学奖表彰了超导量子电路领域的突破，该突破有望催生超强计算机。然而，许多此类技术只能在极低温（接近绝对零度）下运行，而大多数材料在这种环境中会失去其关键特性。因此，寻找能在极低温下正常工作的材料一直是科学界的一大难题。

### 一种不惧严寒的晶体
在《科学》杂志的最新研究中，斯坦福大学工程师报告了钛酸锶（STO）的突破性发现。这种材料在极低温环境下不仅能保持，甚至能增强其光学和机械性能。它的性能不仅没有下降，反而显著提升，远超其他已知材料。研究人员认为，这一发现可能为新型光基和机械极低温器件打开大门，推动量子计算、太空探索和其他先进技术的发展。

“钛酸锶的电光效应是目前最常用电光材料的40倍。而且它能在极低温下工作，这对于制造量子换能器和开关非常有利，而这些正是当前量子技术的瓶颈。”该研究的资深作者、斯坦福大学电气工程教授杰琳娜·武科维奇解释道。

### 突破性能极限
STO的光学行为具有“非线性”，这意味着当施加电场时，其光学和机械特性会发生显著变化。这种电光效应使科学家能够以其他材料无法实现的方式调节光的频率、强度、相位和方向。这种多功能性有望催生全新类型的低温器件。

STO还具有压电性，即它会在电场作用下发生物理膨胀和收缩。这使其非常适合开发能在极低温下高效工作的新型机电元件。研究人员表示，这些特性在太空真空环境或火箭的极低温燃料系统中可能特别有价值。

“在低温下，钛酸锶不仅是我们所知的电光可调性最强的材料，也是压电势可调性最强的材料。”该研究的共同第一作者、现任伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教员的克里斯托弗·安德森说。

### 被忽视的材料重获新生
钛酸锶并非新发现的物质。它已被研究数十年，价格低廉且储量丰富。“STO并不特别，不稀有，也不贵，”该研究的共同第一作者、武科维奇实验室的博士后学者乔瓦尼·斯库里说，“事实上，它常被用作珠宝中的钻石替代品，或作为生长其他更有价值材料的衬底。尽管是一种‘教科书式’的材料，但它在极低温环境中的性能却异常出色。”

测试STO的决定源于对材料可调性特征的理解。“我们知道制造高可调性材料所需的‘成分’。我们发现这些成分在自然界中已经存在，我们只是用新的‘配方’来使用它们。STO是显而易见的选择。”安德森说，“当我们进行测试时，令人惊讶的是，它完全符合我们的预期。”

斯库里补充说，他们开发的框架有助于识别或改进其他非线性材料，以适应各种工作条件。

### 接近绝对零度时的破纪录性能
在5开尔文（-450°F）的温度下测试时，STO的性能让研究人员震惊。其非线性光学响应是主流非线性光学材料铌酸锂的20倍，几乎是此前极低温基准材料钛酸钡的3倍。

为了进一步提升其性能，研究团队用较重的同位素替换了晶体中的部分氧原子。这一调整使STO更接近一种名为“量子临界点”的状态，从而产生了更强的可调性。

“通过在材料中33%的氧原子上精确添加两个中子，所得材料的可调性提高了4倍。”安德森说，“我们精确调整了‘配方’，以获得最佳性能。”

### 构建极低温器件的未来
研究团队表示，STO还具有实际优势，可能会吸引工程师的关注。它可以使用现有的半导体设备进行合成、结构修饰和晶圆级制造。这些特性使其非常适合下一代量子器件，例如用于控制和传输量子信息的激光开关。

该研究部分由三星电子和谷歌量子计算部门资助，这两家公司都在寻找能推动其量子硬件发展的材料。研究团队的下一个目标是基于STO的独特特性设计功能完备的极低温器件。

“我们在架子上发现了这种材料。使用后发现它非常出色。我们理解了它性能优良的原因。然后锦上添花的是——我们知道如何让它变得更好，添加了‘特殊调料’，制造出了这些应用领域中世界上最好的材料。”安德森说，“这是一个很棒的故事。”

除三星和谷歌外，该研究还获得了美国国防部的范内瓦·布什教师奖学金以及美国能源部Q-NEXT项目的支持。

研究贡献者包括密歇根大学的亚伦·陈和李璐；斯坦福大学E.L.金兹顿实验室的成俊恩、亚历山大·D·怀特、安根浩、阿米尔·萨法维-纳伊尼和卡斯珀·范·加斯；以及斯坦福纳米共享设施的克里斯汀·吉利。