Stanford descobre um cristal extraordinário que pode transformar a tecnologia quântica

• Os engenheiros de Stanford descobriram um material notável, o titanato de estrôncio (STO), que tem um desempenho ainda melhor em frio extremo. Em vez de enfraquecer, as suas propriedades ópticas e mecânicas melhoram a temperaturas criogénicas.
• O STO supera todos os materiais comparáveis ​​testados em ambientes de baixa temperatura, revelando resistência, estabilidade e capacidade de ajuste excepcionais.
• As suas capacidades únicas poderão acelerar os avanços na computação quântica, nos sistemas laser e na exploração espacial, onde o alto desempenho sob condições de congelamento é essencial.

A supercondutividade e a computação quântica passaram da física teórica para a inovação do mundo real. O Prêmio Nobel de Física de 2025 reconheceu avanços em circuitos quânticos supercondutores que poderiam levar a computadores ultrapoderosos. No entanto, muitas destas tecnologias só funcionam a temperaturas criogénicas (próximas do zero absoluto), onde a maioria dos materiais perde as suas propriedades definidoras. Encontrar materiais que funcionem sob um frio tão extremo tem sido um dos maiores obstáculos da ciência.

Um cristal que desafia o frio

Em um novo Ciência publicação, engenheiros da Universidade de Stanford relatam um avanço com o titanato de estrôncio (STO), um material que não apenas mantém, mas também melhora seu desempenho óptico e mecânico em condições de congelamento. Em vez de se deteriorar, torna-se significativamente mais capaz, superando por larga margem outros materiais conhecidos. Os pesquisadores acreditam que esta descoberta pode abrir a porta para uma nova classe de dispositivos criogênicos mecânicos e baseados em luz que impulsionam a computação quântica, a exploração espacial e outras tecnologias avançadas.

“O titanato de estrôncio tem efeitos eletro-ópticos 40 vezes mais fortes do que o material eletro-óptico mais usado atualmente. Mas também funciona em temperaturas criogênicas, o que é benéfico para a construção de transdutores e interruptores quânticos que são gargalos atuais nas tecnologias quânticas”, explicou a autora sênior do estudo, Jelena Vuckovic, professora de engenharia elétrica em Stanford.

Ultrapassando os limites do desempenho

O comportamento óptico do STO é “não linear”, o que significa que quando um campo elétrico é aplicado, suas propriedades ópticas e mecânicas mudam drasticamente. Este efeito eletro-óptico permite aos cientistas ajustar a frequência, intensidade, fase e direção da luz de uma forma que outros materiais não conseguem. Essa versatilidade poderia permitir tipos inteiramente novos de dispositivos de baixa temperatura.

O STO também é piezoelétrico, o que significa que se expande e contrai fisicamente em resposta a campos elétricos. Isto o torna ideal para o desenvolvimento de novos componentes eletromecânicos que funcionam eficientemente em frio extremo. Segundo os pesquisadores, essas capacidades poderiam ser especialmente valiosas para uso no vácuo do espaço ou em sistemas de combustível criogênico de foguetes.

“Em baixas temperaturas, o titanato de estrôncio não é apenas o material óptico mais sintonizável eletricamente que conhecemos, mas também é o material mais sintonizável piezoeletricamente”, disse Christopher Anderson, co-autor e agora membro do corpo docente da Universidade de Illinois, Urbana-Champaign.

Um material esquecido encontra um novo propósito

O titanato de estrôncio não é uma substância recentemente descoberta. É estudado há décadas e é barato e abundante. “STO não é particularmente especial. Não é raro. Não é caro”, disse o co-primeiro autor Giovanni Scuri, pós-doutorado no laboratório de Vuckovic. “Na verdade, tem sido frequentemente usado como substituto do diamante em joias ou como substrato para o cultivo de outros materiais mais valiosos. Apesar de ser um material de ‘livro didático’, tem um desempenho excepcionalmente bom em um contexto criogênico.”

A decisão de testar o STO foi orientada pela compreensão de quais características tornam os materiais altamente ajustáveis. “Sabíamos quais ingredientes precisávamos para fazer um material altamente sintonizável. Descobrimos que esses ingredientes já existiam na natureza e simplesmente os usamos em uma nova receita. STO foi a escolha óbvia”, disse Anderson. “Quando tentamos, surpreendentemente, correspondeu perfeitamente às nossas expectativas.”

Scuri acrescentou que a estrutura desenvolvida poderia ajudar a identificar ou aprimorar outros materiais não lineares para uma variedade de condições operacionais.

Desempenho recorde perto do zero absoluto

Quando testado a 5 Kelvin (-450°F), o desempenho do STO surpreendeu os pesquisadores. Sua resposta óptica não linear foi 20 vezes maior que a do niobato de lítio, o principal material óptico não linear, e quase o triplo da do titanato de bário, o benchmark criogênico anterior.

Para levar ainda mais longe as suas propriedades, a equipa substituiu certos átomos de oxigénio no cristal por isótopos mais pesados. Esse ajuste aproximou o STO de um estado denominado criticidade quântica, produzindo uma sintonização ainda maior.

“Ao adicionar apenas dois nêutrons a exatamente 33% dos átomos de oxigênio no material, a sintonização resultante aumentou por um fator de quatro”, disse Anderson. “Ajustamos nossa receita com precisão para obter o melhor desempenho possível.”

Construindo o Futuro dos Dispositivos Criogênicos

Segundo a equipe, o STO também oferece vantagens práticas que podem torná-lo atraente para os engenheiros. Ele pode ser sintetizado, modificado estruturalmente e fabricado em escala de wafer usando equipamentos semicondutores existentes. Esses recursos o tornam adequado para dispositivos quânticos de próxima geração, como switches baseados em laser usados ​​para controlar e transmitir informações quânticas.

A pesquisa foi parcialmente financiada pela Samsung Electronics e pela divisão de computação quântica do Google, ambas em busca de materiais para aprimorar seu hardware quântico. O próximo objetivo da equipe é projetar dispositivos criogênicos totalmente funcionais baseados nas propriedades exclusivas do STO.

“Encontramos esse material na prateleira. Usamos e foi incrível. Entendemos por que era bom. Aí a cereja do bolo: sabíamos como fazer melhor, adicionamos aquele molho especial e fizemos o melhor material do mundo para essas aplicações”, disse Anderson. “É uma ótima história.”

Juntamente com a Samsung e o Google, o estudo recebeu apoio de uma bolsa Vannevar Bush Faculdade através do Departamento de Defesa dos EUA e do programa Q-NEXT do Departamento de Energia.

Os colaboradores incluem Aaron Chan e Lu Li, da Universidade de Michigan; Sungjun Eun, Alexander D. White, Geun Ho Ahn, Amir Safavi-Naeini e Kasper Van Gasse do Laboratório EL Ginzton de Stanford; e Christine Jilly, da Stanford Nano Shared Facilities.