عند درجة حرارة 4 كلفن، تتعثر معظم المواد الكهروضوئية، لكن شركة imec قامت الآن بتصميم تيتانات السترونتيوم ذات الأغشية الرقيقة (SrTiO)₃) التي توفر أداءً كهروضوئيًا قياسيًا مع فقدان بصري منخفض، مما يشير إلى وحدات بناء أقصر وأسرع للأجهزة الكمومية.
تعمل أجهزة الكمبيوتر وأجهزة الكشف الكمومية في درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. في هذه الظروف القاسية، حتى أفضل المواد التي تتمتع بدرجة حرارة الغرفة تكافح من أجل التحكم في الضوء بكفاءة. تعد هذه الميزة ضرورية لتشفير المعلومات وتوجيهها وتحويلها في الشبكات الكهروضوئية، والتي تُستخدم في درجة حرارة الغرفة في تطبيقات البيانات والاتصالات، ولكن أيضًا بشكل متزايد للوصلات الكمومية ذات درجات الحرارة المنخفضة للغاية.
في أ ورقة جديدة أبلغ باحثو imec، بالتعاون مع جامعة KU Leuven وجامعة Ghent، عن كيفية إعادة هندسة بلورة شائعة، تيتانات السترونتيوم (SrTiO₃)، لذا فهو يتصرف بأداء قياسي في درجات الحرارة المبردة.
أظهر فريق البحث، بقيادة كريستيان هافنر وبقيادة طلاب الدكتوراه أنيا أولريش، وكمال إبراهيم، وأندريس بولين، معامل بوكلز الفعال الذي يقترب من 350 ميكرومتر/فولت عند 4 كلفن، وهو أعلى معدل تم الإبلاغ عنه لأي مادة كهروضوئية رقيقة عند درجة الحرارة هذه.
يقيس معامل بوكلز مدى قوة تغير معامل انكسار المادة (مدى انحناء شعاع الضوء عند مروره من وسط إلى آخر) عند تطبيق مجال كهربائي. كلما زاد معامل بوكلز، زادت كفاءة تعديل الضوء لكل فولت. في درجات الحرارة المنخفضة للغاية، تصبح معظم المواد أضعف، لكن SrTiO المُصممة هندسيًا₃ أما الغشاء الرقيق فيفعل العكس، مما يتيح مكونات كهروضوئية أقصر وأسرع.
والأهم من ذلك هو أن الفريق يحقق هذا الأداء مع خسائر بصرية محدودة. من الناحية العملية، هذا المزيج من القوة الكهروضوئية العالية مع فقدان منخفض، يعني أن العلماء يمكنهم بناء أجهزة أصغر تهدر عددًا أقل من الفوتونات، وهو أمر ضروري للأنظمة الكمومية.
قال: “من خلال تحويل العازل الكهروضوئي الكمي إلى فيلم رقيق كهرومغناطيسي مبرد، نكشف عن تأثير بوكلز القوي حيث لم يكن متوقعًا. وهذا يفتح طريقًا جديدًا للمواد للمكونات الكهروضوئية المدمجة ومنخفضة الفقد عند 4 درجات كلفن”. هافنر، المؤلف المقابل في imec. “إنه مثال رائع على كيف يمكن لهندسة المواد على المستوى الذري أن تفتح تحقيق اختراقات على مستوى الأجهزة.”
إن القيمة الطويلة الأجل لهذا البحث الأساسي واضحة: فمن خلال توفير مادة كهروضوئية جاهزة للتبريد بأداء قياسي في شكل أغشية رقيقة، يعمل هذا العمل على تسريع عملية تطوير الجيل التالي من الوصلات الكمومية، والمعدلات، ومحولات الطاقة التي يمكنها في نهاية المطاف أن تربط بين المعالجات فائقة التوصيل والشبكات الضوئية.
تم نشر النتائج بالتتابع مع دراسة أخرى تظهر أنه من خلال ضبط تيتانات السترونتيوم بعناية، يمكن جعل استجابتها للمجالات الكهربائية عند 4 إلى 5 كلفن قوية للغاية وقابلة للتعديل. بينما قاد الدراسة الثانية فريق بحث من جامعة ستانفورد، ساهم باحثو IMEC في كلا التقدمين. تُظهِر كلتا الورقتين معًا إلى أي مدى يمكن دفع أداء تيتانات السترونتيوم والتحكم فيه، وكيفية بناءه في أغشية رقيقة منخفضة الفقد، وعلى نطاق الرقاقات، مناسبة لإنتاج الرقائق الضوئية.
يعكس هذا الإنجاز نموذج مسار الحيازة الخاص بـ imec المتمثل في دعم الأبحاث الجريئة وطويلة الأفق: الوقت المحمي، والوصول إلى التصنيع المتقدم، والدعم متعدد التخصصات الذي يحول الرؤى العلمية المبكرة إلى منصات تكنولوجية مستقبلية.
قال المؤلفون الأوائل: “تطلب هذا المشروع رقابة مشددة على كيفية نمو الفيلم، وربط الرقائق المتخصصة، واختبارات عالية الدقة في درجات حرارة مبردة… جهد حقيقي متعدد التخصصات”. أنجا أولريش, كمال ابراهيم و أندريس بولين. “نحن متحمسون لأن اكتشافنا الأساسي يمكنه الآن زرع مفاهيم جديدة للأجهزة للضوئيات الكمومية.”
