- Engenheiros de Stanford descobriram um material excepcional, o titanato de estrôncio (STO), que apresenta desempenho ainda melhor em temperaturas extremamente baixas. 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 os avanços em computação quântica, sistemas de laser e exploração espacial, onde um alto desempenho em condições de congelamento é essencial.
A supercondutividade e a computação quântica passaram da física teórica para a inovação no mundo real. O Prêmio Nobel de Física de 2025 reconheceu avanços em circuitos quânticos supercondutores que podem levar a computadores ultra-poderosos. No entanto, muitas dessas tecnologias só funcionam em temperaturas criogênicas (próximas ao 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 da Science, engenheiros da Universidade de Stanford relatam um avanço com o titanato de estrôncio (STO), um material que não apenas mantém, mas melhora seu desempenho óptico e mecânico em condições congelantes. Em vez de deteriorar-se, torna-se significativamente mais capaz, superando outros materiais conhecidos por uma ampla margem. Os pesquisadores acreditam que essa descoberta pode abrir as portas para uma nova classe de dispositivos criogênicos baseados em luz e mecânica 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-ótico mais utilizado atualmente. Mas também funciona em temperaturas criogênicas, o que é benéfico para a construção de transdutores quânticos e chaves que são gargalos atuais nas tecnologias quânticas,” explicou a autora sênior do estudo, Jelena Vuckovic, professora de engenharia elétrica em Stanford.
Superando os Limites de 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. Esse efeito eletro-óptico permite que os cientistas ajustem a frequência, intensidade, fase e direção da luz de maneiras que outros materiais não conseguem. Tal versatilidade poderia permitir tipos totalmente 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. Isso o torna ideal para o desenvolvimento de novos componentes eletromecânicos que funcionam de maneira eficiente 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 baixa temperatura, não apenas 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 um Novo Propósito
O titanato de estrôncio não é uma substância recém-descoberta. Ele tem sido estudado por décadas, sendo barato e abundante. “O STO não é particularmente especial. Não é raro. Não é caro,” disse Giovanni Scuri, co-primeiro autor e bolsista de pós-doutorado no laboratório de Vuckovic. “Na verdade, ele tem sido frequentemente usado 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 destaca de maneira excepcional em um contexto criogênico.”
A decisão de testar o STO foi guiada pela compreensão das características que tornam os materiais altamente ajustáveis. “Sabíamos quais ingredientes éramos necessários para fazer um material altamente ajustável. Descobrimos que esses ingredientes já existiam na natureza e simplesmente os usamos em uma nova receita. O STO foi a escolha óbvia,” disse Anderson. “Quando o testamos, surpreendentemente, ele atendeu perfeitamente às nossas expectativas.”
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 Próximo ao 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 do que a do niobato de lítio, o principal material óptico não linear, e quase o triplo da bário titanato, o anterior padrão de referência criogênica.
Para aumentar ainda mais suas propriedades, a equipe substituiu certos átomos de oxigênio no cristal por isótopos mais pesados. Esse ajuste trouxe o STO mais próximo 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 nossa receita com precisão para obter o melhor desempenho possível.”
Construindo o Futuro dos Dispositivos Criogênicos
De acordo com a equipe, o STO também oferece vantagens práticas que poderiam torná-lo atraente para engenheiros. Pode ser sintetizado, modificado estruturalmente e fabricado em escala de wafer usando equipamentos semicondutores existentes. Essas características o tornam bem adequado para dispositivos quânticos de próxima geração, como chaves baseadas em laser usadas 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 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. Entendemos por que era bom. Então, o bônus — sabíamos como fazer melhor, adicionamos esse ‘molho especial’ e criamos o melhor material do mundo para essas aplicações,” disse Anderson. “É uma ótima 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 Instalaciones Compartilhadas de Stanford Nano.
