- Engenheiros de Stanford descobriram um material excepcional, o titanato de estrôncio (STO), que apresenta um desempenho ainda melhor em temperaturas extremas de frio. Em vez de enfraquecer, suas propriedades ópticas e mecânicas melhoram em temperaturas criogênicas.
- O STO supera todos os materiais comparáveis testados em ambientes de baixa temperatura, revelando força, estabilidade e ajustabilidade excepcionais.
- Suas capacidades únicas podem acelerar avanços em computação quântica, sistemas a laser e exploração espacial, onde alto desempenho em condições congelantes é essencial.
A supercondutividade e a computação quântica deixaram de ser apenas física teórica para se tornarem inovações do mundo real. O Prêmio Nobel de Física de 2025 reconheceu avanços em circuitos quânticos supercondutores que podem levar a computadores ultra-potentes. No entanto, muitas dessas tecnologias só funcionam em temperaturas criogênicas (perto do zero absoluto), onde a maioria dos materiais perde suas propriedades definidoras. Encontrar materiais que funcionem sob esse frio extremo tem sido um dos maiores desafios da ciência.
Um Cristal que Desafia o Frio
Em uma nova publicação na Science, engenheiros da Universidade de Stanford relatam um avanço com o titanato de estrôncio (STO), um material que não apenas mantém, mas também aprimora seu desempenho óptico e mecânico em condições congelantes. Em vez de deteriorar, ele se torna significativamente mais capaz, superando outros materiais conhecidos por uma ampla margem. Os pesquisadores acreditam que essa descoberta pode abrir portas para uma nova classe de dispositivos mecânicos e baseados em luz que impulsionam a computação quântica, a exploração espacial e outras tecnologias avançadas.
“O titanato de estrôncio possui efeitos eletro-ópticos 40 vezes mais fortes do que o material eletro-óptico mais utilizado atualmente. Mas também funciona em temperaturas criogênicas, 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.
Expandindo 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 dramaticamente. Esse efeito eletro-óptico permite que os cientistas ajustem a frequência, intensidade, fase e direção da luz de maneiras que outros materiais não conseguem. Essa versatilidade pode possibilitar novos tipos de dispositivos de baixa temperatura.
O STO também é piezoelétrico, o que significa que se expande e contrai fisicamente em resposta a campos elétricos. Isso o torna ideal para o desenvolvimento de novos componentes eletromecânicos que funcionam eficientemente em frio extremo. De acordo com os pesquisadores, essas capacidades podem ser especialmente valiosas para uso no vácuo do espaço ou nos sistemas de combustível criogênico de foguetes.
“Em baixas temperaturas, não só o titanato de estrôncio é o material óptico mais eletricamente ajustável que conhecemos, mas também é o material mais ajustável piezoelectricamente”, disse Christopher Anderson, co-primeiro autor e agora membro do corpo docente da Universidade de Illinois, Urbana-Champaign.
Um Material Ignorado Encontra Novo Propósito
O titanato de estrôncio não é uma substância recém-descoberta. Ele tem sido estudado durante décadas e é barato e abundante. “O STO não é particularmente especial. Não é raro. Não é caro”, disse Giovanni Scuri, co-primeiro autor e bolsista pós-doutoral no laboratório de Vuckovic. “Na verdade, ele tem sido frequentemente utilizado como um substituto de diamante em joias ou como substrato para o crescimento de outros materiais mais valiosos. Apesar de ser um material ‘de livro didático’, ele se comporta excepcionalmente bem em um contexto criogênico.”
A decisão de testar o STO foi guiada pela compreensão de quais características tornam os materiais altamente ajustáveis. “Nós sabíamos quais ingredientes precisávamos para criar um material altamente ajustável. Descobrimos que esses ingredientes já existiam na natureza e simplesmente os utilizamos em uma nova receita. O STO foi a escolha óbvia”, disse Anderson. “Quando o testamos, surpreendentemente, ele se tornou exatamente o que esperávamos.”
Scuri acrescentou que a estrutura que eles desenvolveram 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 impressionou os pesquisadores. Sua resposta óptica não linear era 20 vezes maior que a do nióbio de lítio, o material óptico não linear líder, e quase o triplo do titanato de bário, o anterior marco criogênico.
Para aprimorar ainda mais suas propriedades, a equipe substituiu certos átomos de oxigênio no cristal por isótopos mais pesados. Este ajuste aproximou o STO de um estado chamado criticidade quântica, produzindo uma ajustabilidade ainda maior.
“Ao adicionar apenas dois nêutrons a exatamente 33% dos átomos de oxigênio no material, a ajustabilidade resultante aumentou em um fator de quatro”, disse Anderson. “Nós ajustamos cuidadosamente nossa receita para obter o melhor desempenho possível.”
Construindo o Futuro de 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. Essas características tornam-no bem adequado para dispositivos quânticos de próxima geração, como interruptores 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 avançar em seu hardware quântico. O próximo objetivo da equipe é projetar dispositivos criogênicos totalmente funcionais com base nas propriedades únicas do STO.
“Encontramos esse material na prateleira. Usamos e foi incrível. Compreendemos porque era bom. Então, a cereja do topo — sabíamos como melhorar, adicionamos aquele ‘toque especial’ e fizemos o melhor material do mundo para essas aplicações”, disse Anderson. “É uma grande história.”
Além da Samsung e do Google, o estudo recebeu apoio de uma Bolsa de Faculdade Vannevar Bush através do Departamento de Defesa dos EUA e do programa Q-NEXT do Departamento de Energia.
Contribuidores 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 E. L. Ginzton de Stanford; e Christine Jilly das Instalções Compartilhadas de Nano de Stanford.