À 4 degrés Kelvin, la plupart des matériaux électro-optiques vacillent. Le centre de R&D en nanoélectronique imec a désormais conçu avec succès du titanate de strontium en couche mince (SrTiO₃) qui offre des performances électro-optiques record avec une faible perte optique, pointant vers des éléments de base plus courts et plus rapides pour les dispositifs quantiques.
Les ordinateurs et détecteurs quantiques fonctionnent à des températures proches du zéro absolu. Dans ces conditions extrêmes, même les meilleurs matériaux à température ambiante ont du mal à contrôler efficacement la lumière. Cette fonctionnalité est essentielle pour coder, acheminer et convertir les informations dans les réseaux électro-optiques, qui à température ambiante sont utilisés dans les applications de données et de télécommunications, mais aussi de plus en plus pour les liaisons quantiques à très basse température.
Dans un nouvel article publié aujourd'hui dans Sciencedes chercheurs de l'Imec, en collaboration avec la KU Leuven et l'Université de Gand, expliquent comment ils ont repensé un cristal commun, le titanate de strontium (SrTiO₃), il se comporte donc avec des performances record à des températures cryogéniques.
L'équipe de recherche, dirigée par Christian Haffner et dirigée par Ph.D. Les étudiants Anja Ulrich, Kamal Brahim et Andries Boelen démontrent un coefficient de Pockels effectif proche de 350 pm/V à 4 K, le plus élevé signalé pour n'importe quel matériau électro-optique en couche mince à cette température.
Le coefficient de Pockels mesure l'intensité avec laquelle l'indice de réfraction d'un matériau (à quel point un rayon lumineux se courbe lorsqu'il passe d'un milieu à un autre) change lorsque vous appliquez un champ électrique. Plus le coefficient de Pockels est grand, plus vous pouvez moduler efficacement la lumière par volt. À des températures ultra basses, la plupart des matériaux s'affaiblissent, mais le SrTiO₃ un film mince fait le contraire, permettant des composants électro-optiques plus courts et plus rapides.
Surtout, l’équipe atteint cette performance avec des pertes optiques limitées. En termes pratiques, cette combinaison d’une résistance électro-optique élevée et de faibles pertes signifie que les scientifiques peuvent construire des dispositifs plus petits qui gaspillent moins de photons, ce qui est essentiel pour les systèmes quantiques.
« En convertissant un paraélectrique quantique en un film mince cryo-ferroélectrique, nous révélons un puissant effet Pockels là où aucun n'était attendu. Cela ouvre une nouvelle voie de matériaux pour les composants électro-optiques compacts et à faibles pertes à 4 degrés Kelvin », a déclaré Haffner, auteur correspondant chez imec. « C'est un excellent exemple de la manière dont l'ingénierie des matériaux à l'échelle atomique peut débloquer des percées au niveau des appareils. »
La valeur à long terme de cette recherche fondamentale est claire : en fournissant un matériau électro-optique prêt pour la cryogénie avec des performances record sous forme de couche mince, les travaux accélèrent le développement d'interconnexions, de modulateurs et de transducteurs quantiques de nouvelle génération qui pourraient à terme relier les processeurs supraconducteurs et les réseaux optiques.
Les résultats sont publiés parallèlement à une autre étude montrant qu'en réglant soigneusement le titanate de strontium, sa réponse aux champs électriques de 4 à 5 K peut être rendue extrêmement forte et réglable.
Alors que la deuxième étude a été dirigée par une équipe de recherche de Stanford, les chercheurs de l’Imec ont contribué aux deux avancées. Ensemble, les deux articles montrent jusqu'où les performances du titanate de strontium peuvent être poussées et contrôlées, et comment l'intégrer dans des films minces à faible perte, à l'échelle d'une tranche, adaptés à la production de puces photoniques.
« Ce projet exigeait un contrôle strict sur la façon dont le film était développé, une liaison experte des plaquettes et des tests de haute précision à des températures cryogéniques… Un véritable effort interdisciplinaire », ont déclaré les premiers auteurs Ulrich, Brahim et Boelen. « Nous sommes ravis que notre découverte fondamentale puisse désormais donner naissance à de nouveaux concepts de dispositifs pour la photonique quantique. »
