在 4 K（約 - 269℃）的低溫環境下，大多數電光材料的性能會大幅衰減。而納米電子學研發中心 imec 成功研發出一種薄膜鈦酸鍶（SrTiO₃）材料，其電光性能創下紀錄且光學損耗低，為量子器件提供了更小巧、更快響應的核心組件解決方案。

量子計算機和探測器需在接近絕對零度的溫度下運行。在這種極端條件下，即便是室溫下性能最優的材料，也難以高效調控光信號。而光信號調控能力是電光網絡中信息編碼、傳輸和轉換的關鍵 —— 這類網絡不僅應用于室溫環境下的數據通信領域，如今在超低溫量子鏈路中的應用也日益廣泛。

imec 研究人員與魯汶大學（KU Leuven）、根特大學（Ghent University）合作，在發表于《Science》期刊的新論文中，詳細闡述了他們如何通過重新設計常見晶體鈦酸鍶（SrTiO₃），使其在低溫環境下實現創紀錄的性能表現。

該研究團隊由Christian Haffner領導，博士生Anja Ulrich、Kamal Brahim和Andries Boelen為核心成員。團隊測試顯示，這種改性薄膜在 4 K 溫度下的有效波克爾斯系數（Pockels coefficient）接近 350 pm/V，是目前所有低溫薄膜電光材料中的最高值。波克爾斯系數用于衡量材料折射率在外加電場作用下的變化幅度，系數越大，每伏特電壓對光信號的調制效率越高。在超低溫環境下，大多數材料的性能會減弱，但這種改性鈦酸鍶薄膜卻呈現相反趨勢，為研發更小巧、響應更快的電光組件奠定了基礎。

關鍵在于，該團隊在實現超高電光性能的同時，將光學損耗控制在極低水平。從實際應用來看，高電光強度與低損耗的結合，意味著科學家能制造出體積更小、光子損耗更少的器件 —— 這對量子系統而言至關重要。

“通過將一種量子順電體轉化為低溫鐵電體薄膜，我們在原本不具備該特性的材料中發現了強效波克爾斯效應。這為 4 K 環境下緊湊型、低損耗電光組件開辟了新的材料路徑，” 該論文通訊作者、imec 研究員Haffner表示，“這是原子尺度材料工程解鎖器件級突破的絕佳范例。”

這項基礎研究的長期價值顯而易見：通過提供一種可直接用于低溫環境、且薄膜形態下性能創紀錄的電光材料，該成果將加速下一代量子互連器件、調制器和傳感器的研發進程，最終有望實現超導處理器與光網絡的高效連接。

該研究成果與另一項研究同期發表。另一項研究表明，通過精細調控鈦酸鍶的特性，其在 4 K 至 5 K 溫度下對電場的響應可變得極強且具備可調性。后者由斯坦福大學研究團隊主導，imec 研究人員也為這兩項進展做出了貢獻。這兩篇論文共同展示了鈦酸鍶的性能極限及其可調控性，同時提供了將其制備為低損耗、晶圓級薄膜的技術方案 —— 這類薄膜適用于光子芯片的規模化生產。

這一成就彰顯了 imec 長期支持大膽、前瞻性研究的終身教職模式：為研究人員提供不受干擾的研究時間、先進的制造設施支持以及跨學科協作資源，助力早期科學發現轉化為未來的技術平臺。

“該項目需要精準控制薄膜生長過程、專業的晶圓鍵合技術，以及低溫環境下的高精度測試是一項真正的跨學科協作成果，” 論文第一作者Anja Ulrich、Kamal Brahim和Andries Boelen表示，“我們很高興這一發現能為量子光子學領域的新型器件設計提供靈感。”