• 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 versatilidade excepcionais.
• Suas capacidades únicas podem acelerar avanços na computação quântica, sistemas de lasers e exploração espacial, onde um alto desempenho sob condições de congelamento é essencial.

A supercondutividade e a computação quântica passaram da física teórica para a inovação prática. O Prêmio Nobel de Física de 2025 reconheceu avanços em circuitos quânticos supercondutores que podem levar a computadores ultra-potentes. No entanto, muitas dessas tecnologias funcionam apenas em temperaturas criogênicas (perto do zero absoluto), onde a maioria dos materiais perde suas propriedades definidoras. Encontrar materiais que funcionem sob esse tipo de frio extremo tem sido um dos maiores desafios da ciência.

Um Cristal que Desafia o Frio

Em uma nova publicação na 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 se deteriorar, torna-se significativamente mais capaz, superando outros materiais conhecidos por uma ampla margem. Os pesquisadores acreditam que essa descoberta pode abrir portas para uma nova classe de dispositivos ópticos e mecânicos criogênicos que impulsionam a computação quântica, a exploração espacial e outras tecnologias avançadas.

“O titanato de estrôncio possui efeitos eletro-óticos 40 vezes mais fortes que o material eletro-ótico mais utilizado atualmente. Mas ele também funciona em baixas temperaturas, o que é benéfico para a construção de transdutores quânticos e interruptores que são gargalos atuais nas tecnologias quânticas,” explicou a autora principal do estudo, Jelena Vuckovic, professora de engenharia elétrica da Stanford.

Superando os Limites de Desempenho

O comportamento óptico do STO é “não linear”, o que significa que, ao aplicar um campo elétrico, suas propriedades ópticas e mecânicas mudam drasticamente. Esse efeito eletro-ótico permite que cientistas ajustem a frequência, intensidade, fase e direção da luz de maneiras que outros materiais não conseguem. Tal versatilidade pode possibilitar novos tipos 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 no frio extremo. Segundo os pesquisadores, essas capacidades podem ser especialmente valiosas para uso no vácuo do espaço ou nos sistemas de combustível criogênicos de foguetes.

“Em baixas temperaturas, o titanato de estrôncio não só é o material óptico eletricamente sintonizável mais conhecido, mas também é o material mais piezoelétricamente sintonizável,” disse Christopher Anderson, co-primeiro autor e agora membro do corpo docente da Universidade de Illinois, Urbana-Champaign.

Um Material Ignorado Encontrando Novo Propósito

O titanato de estrôncio não é uma substância recém-descoberta. Ele tem sido estudado por décadas e é barato e abundante. “O STO não é particularmente especial. Não é raro. Não é caro,” disse o co-primeiro autor Giovanni Scuri, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Vuckovic. “Na verdade, muitas vezes foi usado como substituto para diamantes na joalheria ou como substrato para crescer outros materiais mais valiosos. Apesar de ser um material ‘de livro didático’, ele apresenta um desempenho excepcional em um contexto criogênico.”

A decisão de testar o STO foi guiada pela compreensão das características que tornam os materiais altamente sintonizáveis. “Sabíamos quais ingredientes precisávamos para criar um material altamente sintonizável. Descobrimos que esses ingredientes já existiam na natureza e apenas os usamos em uma nova receita. O STO foi a escolha óbvia,” disse Anderson. “Quando o testamos, surpreendentemente, ele atendeu nossas expectativas perfeitamente.”

Scuri acrescentou que a estrutura que desenvolveram poderia ajudar a identificar ou aprimorar outros materiais não lineares para uma variedade de condições operacionais.

Desempenho Recorde Perto do Zero Absoluto

Quando testado a 5 Kelvin (-450°F), o desempenho do STO deixou os pesquisadores impressionados. Sua resposta óptica não linear foi 20 vezes maior do que a do nióbio de lítio, o material óptico não linear líder, e quase o triplo da bário titanato, o anterior padrão criogênico.

Para potencializar ainda mais suas propriedades, a equipe substituiu certos átomos de oxigênio no cristal por isótopos mais pesados. Este ajuste aproximou o STO de um estado chamado criticidade quântica, produzindo uma sintonizabilidade ainda maior.

“Ao adicionar apenas dois nêutrons a exatamente 33% dos átomos de oxigênio no material, a sintonizabilidade resultante aumentou em quatro vezes,” disse Anderson. “Aprimoramos nossa fórmula para obter o melhor desempenho possível.”

Construindo o Futuro dos Dispositivos Criogênicos

Segundo a equipe, o STO também oferece vantagens práticas que podem torná-lo atraente para engenheiros. Ele 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 nova geração, como interruptores baseados em laser usados 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 toque especial – sabíamos como fazer melhor, adicionamos aquele ‘sabor especial’, e fizemos o melhor material do mundo para essas aplicações,” disse Anderson. “É uma ótima história.”

Juntamente com a Samsung e o 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.

Os colaboradores 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 da Stanford; e Christine Jilly das Instalações Compartilhadas de Nanotecnologia da Stanford.