低温光电材料开辟新赛道，钛酸锶薄膜实现高强度效应与低损耗

量子计算机与探测器需要在接近绝对零度的极端低温环境下运行。在此种极端条件下，即便是最优异的常温材料也难以高效调控光信号。而光电网络中的信息编码、路径选择与能量转换等功能，均依赖于对光信号的精准控制——这类网络不仅在常温环境下广泛应用于数据与电信领域，更在超低温量子链路中扮演着日益重要的角色。

比利时鲁汶imec研究院与鲁汶大学、根特大学合作，成功对常见晶体钛酸锶进行结构重组，使其在低温环境下展现出突破性的光电性能。该项研究成果已发表于《科学》期刊。由Christian Haffner带领的研究团队在4K低温环境下测得350 pm/V的泡克尔斯系数，创下该温度区间薄膜电光材料的最高纪录。

a)生长于硅晶圆上的200毫米钛酸锶（SrTiO₃）薄膜，b)透射电子显微镜图像清晰呈现可映射钛酸锶单胞的晶体结构，c)该高结晶度使钛酸锶实现了创纪录的泡克尔斯系数
 

泡克尔斯系数是衡量材料在电场作用下折射率变化强度的关键指标。系数值越大，单位电压对光信号的调制效率越高。绝大多数材料在超低温环境下光电性能会衰减，但这种新型钛酸锶薄膜却呈现逆势增强的特性，为研制更紧凑、更高速的电光元件奠定了基础。

实现低损耗性能
关键在于，研究团队在达成这一卓越性能的同时实现了较低的光损耗。从实际应用角度看，这种“高强度电光效应＋低损耗”的组合意味着科学家能够构建更小型化的器件，同时减少光子损耗——这对量子系统至关重要。

“通过将量子顺电体转化为低温铁电薄膜，我们在本无预期的领域发现了强大的泡克尔斯效应，”论文通讯作者、imec研究员哈夫纳表示，“这为在4开尔文温区制造紧凑型低损耗电光元件开辟了全新的材料路径。这是原子尺度材料工程如何引发器件级突破的完美范例。”

这项基础研究的长期价值显而易见：通过提供一种具有创纪录性能的即用型低温电光薄膜材料，该工作将加速新一代量子互联、调制器与转换器的开发，最终为超导处理器与光网络架设桥梁。

生长于硅晶圆上的200毫米钛酸锶（SrTiO₃）薄膜（蓝色晶圆代表化学计量比薄膜/由imec与鲁汶大学博士生安德里斯·布伦制备，黄色代表非化学计量比薄膜）
 

双研究突破
该项成果与另一项研究以背靠背形式同期发表——斯坦福大学领衔的第二项研究证明，通过精确调控钛酸锶，其在4-5K低温环境下对电场的响应可变得极强且可调。虽然第二项研究由斯坦福团队主导，但imec研究人员为两项突破均作出了贡献。

这两篇论文共同揭示了钛酸锶性能的可控边界与极限，并展示了如何将其制备成适用于光子芯片生产的低损耗、晶圆级薄膜。该成就体现了imec支持前瞻性研究的长期机制：通过保障科研时间、开放先进制造平台、提供跨学科支持，将早期科学发现转化为未来技术平台。

“这项研究要求精确控制薄膜生长工艺、运用专业的晶圆键合技术，并进行高精度低温测试——这是真正的跨学科协作，”第一作者Anja Ulrich、Kamal Brahim、Andries Boelen表示，“我们这项基础发现能为量子光子学播下新器件概念的种子，这令人振奋。”