Imec verlegt de grens van elektro-optische materialen
b) Beeld van een transmissie-elektronenmicroscoop waarin de eenheidscel van het SrTiO3-kristal te zien is
c) Daarin werd een effectieve Pockels-coëfficiënt van 345 picometer per volt gemeten, de hoogste waarde die ooit is gerapporteerd voor een dunne-film elektro-optisch materiaal bij een temperatuur van 4 Kelvin
Bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt laten de meeste elektro-optische materialen het afweten. Het Belgische onderzoekscentrum imec heeft nu een dunne film van strontiumtitanaat (SrTiO3) ontwikkeld, die ongeziene elektro-optische prestaties combineert met lage optische verliezen bij een temperatuur van 4 Kelvin. Deze doorbraak kan de ontwikkeling versnellen van een nieuwe generatie kwantumtoepassingen.
Kwantumtoepassingen
Elektro-optische circuits sturen tal van data- en telecommunicatietoepassingen aan, maar worden ook steeds vaker ingezet bij ultralage temperaturen voor kwantumtoepassingen. Kwantumcomputers en -detectoren werken bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (rond 4 Kelvin of -269 °C). In die omstandigheden kunnen veel materialen licht niet meer efficiënt sturen, terwijl net dat cruciaal is om informatie te coderen, door te geven en om te zetten in elektro-optische circuits.
In een nieuwe publicatie in het vakblad Science rapporteren imec-onderzoekers, in een samenwerking met KU Leuven en Universiteit Gent, hoe zij een dunne film van strontiumtitanaat (SrTiO₃) hebben geoptimaliseerd bij dergelijke lage temperaturen.
Ultralage temperatuur
Het team onder leiding van Christian Haffner demonstreert een effectieve Pockels-coëfficiënt van 345 picometer per volt; de hoogste waarde die ooit is gerapporteerd voor een dunne-film elektro-optisch materiaal bij een temperatuur van 4 Kelvin. De Pockels-coëfficiënt geeft aan hoeveel de brekingsindex (de mate waarin licht afbuigt en vertraagt in een gegeven materiaal) verandert wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd. Hoe groter de Pockels-coëfficiënt, hoe efficiënter licht per volt gemoduleerd kan worden.
Waar de meeste materialen bij ultralage temperatuur minder goed presteren, doet deze geoptimaliseerde strontiumtitanaat-dunnefilm het juist veel beter dan bij kamertemperatuur. Bovendien vertoont het daarbij slechts beperkte optische verliezen.
Nieuwe mogelijkheden
De doorbraak opent de deur naar tal van nieuwe toepassingen. Met een elektro-optisch materiaal dat in dunne-filmvorm en bij extreem lage temperaturen recordprestaties levert, kan immers een nieuwe generatie van kwantum-interconnects, modulatoren en transducers worden gebouwd, die op termijn supergeleidende processors met optische netwerken kunnen verbinden.
De resultaten worden gelijktijdig gepubliceerd met een tweede studie waaruit blijkt dat de elektro-optische respons van strontiumtitanaat bij 4 à 5 Kelvin specifiek kan worden bijgestuurd en uitgebreid. Dat onderzoek werd geleid door een team aan Stanford, maar gebeurde in nauwe samenwerking met wetenschappers aan imec. Samen laten de twee publicaties zien hoe sterk de prestaties van strontiumtitanaat kunnen worden opgedreven en gestuurd, én hoe het materiaal kan worden geïntegreerd als dunne film op wafers voor de productie van fotonische chips.
