Imec verlegt de grens van elektro-optische materialen voor kwantumtoepassingen

Imec verlegt de grens van elektro-optische materialen voor kwantumtoepassingen. De wetenschappelijke doorbraak verschijnt vandaag in het vakblad Science en effent het pad voor snellere kwantumchips.

Bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt laten de meeste elektro-optische materialen het afweten. Het Leuvense onderzoekscentrum imec heeft nu een dunne film van strontiumtitanaat (SrTiO₃) ontwikkeld die ongeziene elektro-optische prestaties combineert met lage optische verliezen bij een temperatuur van 4 Kelvin.

Deze doorbraak kan de ontwikkeling versnellen van een nieuwe generatie kwantumtoepassingen.

Elektro-optische circuits sturen tal van data- en telecommunicatie toepassingen aan, maar worden ook steeds vaker ingezet bij ultralage temperaturen voor kwantumtoepassingen.  Kwantumcomputers en -detectoren werken bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt (rond vier Kelvin of -269°C). In die omstandigheden kunnen veel materialen licht niet meer efficiënt sturen, terwijl net dat cruciaal is om informatie te coderen, door te geven en om te zetten in elektro-optische circuits.

In een nieuwe publicatie in het vakblad Science rapporteren imec-onderzoekers, in een samenwerking met KU Leuven en Universiteit Gent, hoe zij een dunne film van strontiumtitanaat (SrTiO₃) hebben geoptimaliseerd bij dergelijke lage temperaturen.

Het team onder leiding van Christian Haffner demonstreert een effectieve Pockels-coëfficiënt van 345 picometer per volt, de hoogste waarde die ooit is gerapporteerd voor een dunne-film elektro-optisch materiaal bij een temperatuur van 4 Kelvin. De Pockels-coëfficiënt geeft aan hoeveel de brekingsindex (de mate waarin licht afbuigt en vertraagt in een gegeven materiaal) verandert wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd. 

'Hoe groter de Pockels-coëfficiënt, hoe efficiënter licht per volt gemoduleerd kan worden'

Waar de meeste materialen bij ultralage temperatuur minder goed presteren, doet deze geoptimaliseerde strontiumtitanaat-dunnefilm het juist veel beter dan bij kamertemperatuur. Bovendien vertoont het daarbij slechts beperkte optische verliezen.

De doorbraak opent de deur naar tal van nieuwe toepassingen: met een elektro-optisch materiaal dat in dunne-filmvorm en bij extreem lage temperaturen recordprestaties levert, kan een nieuwe generatie van kwantum-interconnects, modulatoren en transducers worden gebouwd, die op termijn supergeleidende processors met optische netwerken kunnen verbinden.

De resultaten worden gelijktijdig gepubliceerd met een tweede studie waaruit blijkt dat de elektro-optische respons van strontiumtitanaat bij 4 à 5 Kelvin specifiek kan worden bijgestuurd en uitgebreid. 

Dat onderzoek werd geleid door een team aan Stanford, maar gebeurde in nauwe samenwerking met wetenschappers aan imec. Samen laten de twee publicaties zien hoe sterk de prestaties van strontiumtitanaat kunnen worden opgedreven en gestuurd, én hoe het materiaal kan worden geïntegreerd als dunne film op wafers voor de productie van fotonische chips.

Als onafhankelijk onderzoekscentrum verbindt imec zich ertoe zijn expertise in te zetten om de feiten rond technologie en innovatie helder en objectief weer te geven, en zo de maatschappij te helpen ze te begrijpen en te plaatsen.

Over imec

Met meer dan 6000 medewerkers van overal ter wereld, topwetenschappers en experten in verschillende onderzoeksdisciplines, een zeer geavanceerde R&D infrastructuur, en een uitgebreid partnernetwerk van wereldleiders uit de hightech-industrie, farma, ICT, ... Vlaamse en internationale bedrijven, start-ups, de academische wereld en kenniscentra, is imec ‘s werelds grootste onafhankelijke onderzoekscentrum in nano-elektronica en digitale technologie. Imecs onderzoek omvat geavanceerde halfgeleidertechnologie en siliciumfotonica, oplossingen voor slimme gezondheidzorg, duurzame energie, duurzame mobiliteit en slimme steden, artificiële intelligentie, 5G-communicatie en sensortechnologieën en nog veel meer.

Imec zet zijn expertise en industrieel netwerk ook in om duurzame maatschappelijke impact in Vlaanderen te creëren. Zo ondersteunt imec zowel kleinere organisaties die over beperkte R&D-middelen beschikken als grotere bedrijven in hun innovatieproces. Imec draagt als strategisch onderzoekscentrum en actieve speler in netwerkorganisaties en sectorfederaties bij aan het innovatienetwerk in Vlaanderen door de publieke sector, overheden en bedrijven in Vlaanderen samen te brengen, de uitwisseling van open data mogelijk te maken, en kennisuitwisseling te stimuleren.

Imec heeft zijn hoofdkantoor in Leuven, onderzoeksgroepen verspreid over de Vlaamse universiteiten, in Nederland, het VK en de VS, en vertegenwoordiging in 3 continenten. In 2024 bedroegen de bedrijfsopbrengsten van imec 1,034 miljard euro.

www.imec.be