Science：光电开关-钛酸锶，量子临界电光与压电-低温非线性材料

在许多量子和经典光子学应用过程中，电光electro-optic (EO) 非线性效应是必不可少的，但主要挑战是低温冷冻环境中的低效调制。

近日，斯坦福大学Christopher P. Anderson，Giovanni Scuri，Jelena Vu?kovi?等在Science上发文，基于相变和非线性之间关系，将量子顺电钙钛矿钛酸锶SrTiO确定为强低温电光EO[>500皮米每伏（pm/V）]和压电材料（>90皮库仑每牛顿），在温度T=5K时，频率至少为1兆赫。

通过将SrTiO调向量子临界性，将电光EO和压电效应提高了一倍以上，证明了1000pm/V以上的线性普克尔Pockels系数。

这一成果，探索了量子相变、介电极化率和非线性之间联系，开启了低温光学和力学系统，并为发现新的非线性材料提供了框架体系。

量子临界电光和压电非线性

图1.非线性材料的找寻：磁化率和相变之间联系。

图2 天然SrTiO中，电光和压电非线性增强

图3.通过向量子临界性调谐，实现了光学和压电非线性增强。

图4. 钛酸锶SrTiO的非线性增强及其现有材料

光学材料Optical materials表现出了较大的电光响应或普克尔Pockels效应，这在光通信、传感和计算领域中找到了工业应用。在开发量子技术中，也需要这种光学材料，但是在低温时，电光响应往往较低。

该项研究，确定钛酸锶是一种有前景应对挑战的材料。在低温具有如此强的电光响应且晶圆级友好的材料设计，有利于研发低温应用的先进功能量子器件。

该项研究发现了钛酸锶在低温下具有超强电光与压电性能。通过高精度马赫-曾德尔干涉仪，在5K温度下的线性Pockels系数高达500 pm/V，压电系数达90 pC/N，远超传统材料。通过氧同位素1?O替代样品（STO-28、STO-33）调控量子临界性，介电、电光和压电性能进一步提升至1150 pm/V与435 pC/N。STO在偏压作用下表现出极强的非线性，并且通过调控量子临界性可进一步提升其性能。为量子计算、空间通信等低温光电子系统提供了理想材料，并建立了“Pε?”作为非线性材料的普适性指标，推动新一代低温功能材料的开发。

Christopher P. Anderson et al. , Quantum critical electro-optic and piezo-electric nonlinearities. Science 390, 394-399 (2025).

DOI:10.1126/science.adx8657

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