imec 刷新低温环境下薄膜钛酸锶电光性能纪录

在 4 K（约 - 269℃）的低温环境下，大多数电光材料的性能会大幅衰减。而纳米电子学研发中心 imec 成功研发出一种薄膜钛酸锶（SrTiO₃）材料，其电光性能创下纪录且光学损耗低，为量子器件提供了更小巧、更快响应的核心组件解决方案。

量子计算机和探测器需在接近绝对零度的温度下运行。在这种极端条件下，即便是室温下性能最优的材料，也难以高效调控光信号。而光信号调控能力是电光网络中信息编码、传输和转换的关键 —— 这类网络不仅应用于室温环境下的数据通信领域，如今在超低温量子链路中的应用也日益广泛。

imec 研究人员与鲁汶大学（KU Leuven）、根特大学（Ghent University）合作，在发表于《Science》期刊的新论文中，详细阐述了他们如何通过重新设计常见晶体钛酸锶（SrTiO₃），使其在低温环境下实现创纪录的性能表现。

该研究团队由Christian Haffner领导，博士生Anja Ulrich、Kamal Brahim和Andries Boelen为核心成员。团队测试显示，这种改性薄膜在 4 K 温度下的有效波克尔斯系数（Pockels coefficient）接近 350 pm/V，是目前所有低温薄膜电光材料中的最高值。波克尔斯系数用于衡量材料折射率在外加电场作用下的变化幅度，系数越大，每伏特电压对光信号的调制效率越高。在超低温环境下，大多数材料的性能会减弱，但这种改性钛酸锶薄膜却呈现相反趋势，为研发更小巧、响应更快的电光组件奠定了基础。

关键在于，该团队在实现超高电光性能的同时，将光学损耗控制在极低水平。从实际应用来看，高电光强度与低损耗的结合，意味着科学家能制造出体积更小、光子损耗更少的器件 —— 这对量子系统而言至关重要。

“通过将一种量子顺电体转化为低温铁电体薄膜，我们在原本不具备该特性的材料中发现了强效波克尔斯效应。这为 4 K 环境下紧凑型、低损耗电光组件开辟了新的材料路径，” 该论文通讯作者、imec 研究员Haffner表示，“这是原子尺度材料工程解锁器件级突破的绝佳范例。”

这项基础研究的长期价值显而易见：通过提供一种可直接用于低温环境、且薄膜形态下性能创纪录的电光材料，该成果将加速下一代量子互连器件、调制器和传感器的研发进程，最终有望实现超导处理器与光网络的高效连接。

该研究成果与另一项研究同期发表。另一项研究表明，通过精细调控钛酸锶的特性，其在 4 K 至 5 K 温度下对电场的响应可变得极强且具备可调性。后者由斯坦福大学研究团队主导，imec 研究人员也为这两项进展做出了贡献。这两篇论文共同展示了钛酸锶的性能极限及其可调控性，同时提供了将其制备为低损耗、晶圆级薄膜的技术方案 —— 这类薄膜适用于光子芯片的规模化生产。

这一成就彰显了 imec 长期支持大胆、前瞻性研究的终身教职模式：为研究人员提供不受干扰的研究时间、先进的制造设施支持以及跨学科协作资源，助力早期科学发现转化为未来的技术平台。

“该项目需要精准控制薄膜生长过程、专业的晶圆键合技术，以及低温环境下的高精度测试是一项真正的跨学科协作成果，” 论文第一作者Anja Ulrich、Kamal Brahim和Andries Boelen表示，“我们很高兴这一发现能为量子光子学领域的新型器件设计提供灵感。”