研究背景
Pockels 材料以其强电光相互作用和快速响应著称，因此在光通信中得到广泛应用。然而，在低温环境下，许多为室温优化的材料的 Pockels 系数会显著下降，这成为新兴量子技术的主要障碍。
本文表明，通过工程手段，钛酸锶（SrTiO3）可在低温下表现出 345 pm/V（在 20 Hz 下）的 Pockels 系数，这一数值是其他任何薄膜电光材料的两倍。通过调控化学计量比，团队能够提升其居里温度（Curie temperature, TC）并实现铁电相，从而获得高 Pockels 系数，同时光学损耗仍然保持在每厘米分贝级的低水平。团队的研究表明，SrTiO3 是低温量子光子学应用的有前景材料。
在量子应用中，包括射频（RF）到光子信号的换能以及高效率光子探测，整个光学系统需要低温冷却，包括电光换能器。在量子领域，每一个光子都至关重要，因此所使用的电光材料必须在 4 K 及以下温度下保持高性能特性，从而最大化量子性能。性能提升意味着电光换能器可以更短，从而减少光子损失。这一前提假设是强 Pockels 材料和弱 Pockels 材料的损耗可比较低。电光材料性能的最佳衡量标准是材料折射率的立方与 Pockels 系数的乘积（n³·r），再结合材料损耗，这是优化电光系统的核心参数。
Pockels 材料已经为室温数据和通信应用被广泛优化，但其 Pockels 系数在低温下显著降低。一个比较的复杂之处在于 Pockels 系数是张量而非标量，因此通常使用有效标量值，通过光学和射频场的强度加权张量元素来计算。
根据 Miller 经验规律，Pockels 系数的大小与材料在原子层面破坏反演对称性的能力密切相关，从而显著增强线性极化率。由此可采用两种策略实现高 Pockels 系数的材料设计：
选用具有高超极化率（hyperpolarizability）且线性极化率不为零的材料，例如有机电光染料，通过打破电子云对称性实现大超极化率。
工程化材料以获得大线性极化率和非零超极化率，例如铁电复合氧化物，通过原子级位移打破对称性，从而实现低温下较强的电光响应。
在实际应用中，LiNbO3 和 BaTiO3 是经典电光材料，但在低温下性能受限。例如 LiNbO3 的 TC 高达 1200 K，其低温下的电光系数仅为 24 pm/V，而 BaTiO3 虽在室温下可达到 520 ± 20 pm/V，但低温下因晶相转变降低至约 170 ± 20 pm/V。
针对低温应用，理论上 TC 接近操作温度的材料较为理想，但通常受量子涨落阻碍铁电相变。钛酸锶（SrTiO3）在 TC ≈ 37 K 时，由于量子涨落抑制了铁电相变，表现为量子介电（quantum paraelectric）相，Ti 原子不能局域化，导致高极化率但 Pockels 系数为零。
研究内容
为了解决这一难题，欧洲微电子研究中心(IMEC)Anja Ulrich，Kamal Brahim，Andries Boelen，Christian Haffner团队在“Science”期刊上发表了题为“Engineering high Pockels coefficients in thin-film strontium titanate for cryogenic quantum electro-optic applications”的最新论文。该团队通过工程化薄膜 SrTiO3 打破其对称性：SrTiO3 外延生长在硅上，并通过晶圆键合转移到 SiO2 衬底上。薄膜略微富 Ti，结合应变效应，将 TC 提升至约 100 K，高于量子涨落临界点，从而实现对称性破缺铁电相，同时保持由晶格共振引起的高介电率。结合近期在掺同位素 SrTiO3 中观察到的二次电光效应（Kerr 效应），该研究表明薄膜 SrTiO3 在低温电光性能上可超越传统 Pockels 材料。
图文导读
（1）实验首次将薄膜SrTiO3工程化以在低温下实现铁电相破缺，得到了在 20 Hz 下 Pockels 系数高达 345 pm/V 的记录值，这一数值是现有任何薄膜电光材料的两倍，同时光学损耗保持在每厘米分贝级的低水平。该实验首次展示了通过调控化学计量比和应变效应提升TC至 100 K，从而抑制量子涨落并实现对称性破缺铁电相的可行性。
（2）实验通过外延生长和晶圆键合工艺，将 SrTiO3 薄膜沉积在硅基底上，并随后转移至 SiO2 衬底，实现了薄膜的应力调控和 Ti 富化。结果表明：
①材料在低温下保持高介电率，由晶格共振增强了电光响应；
②与有机电光染料相比，薄膜 SrTiO3 在低温下不仅 Pockels 系数更高，而且光学损耗更低，适合量子光子学应用；
③结合已知的量子介电 SrTiO3 中观测到的二次电光 Kerr 效应，验证了 SrTiO3 薄膜在低温下超越传统 Pockels 材料的潜力；
④研究表明，通过材料设计可实现兼顾高 Pockels 系数和低损耗的电光器件，为低温量子通信、光子换能及高效率光子探测提供新型功能材料方案。
图 1 | 普克尔斯系数、铁电相变和晶体结构之间关系。
图 2 | 钛酸锶SrTiO₃薄膜晶体质量、介电常数和铁电性证据。
图 3 | 电光测量和有效普克尔斯系数。
结论展望
本文的研究揭示了通过材料工程策略可以突破量子低温条件下传统 Pockels 材料性能的限制，为低温量子光子学开辟了新路径。实验表明，薄膜SrTiO3通过调控化学计量比和应变实现铁电相破缺，从而在 100 K 左右的低温下展现出极高的 Pockels 系数和可控光学损耗。这一发现挑战了量子介电材料无法作为低温电光材料的传统认知，同时说明材料的晶格结构、居里温度及量子涨落之间存在可调控关系。
研究进一步表明，通过精确控制薄膜结构和外延应变，可以在兼顾高电光响应和低光学损耗的条件下实现功能化器件，为低温光子换能、量子光子探测以及量子通信等应用提供了可行的材料方案。这不仅扩展了 Pockels 材料在极端条件下的应用边界，也为低温量子器件的设计提供了科学依据和工程路径，具有重要的基础科学意义和潜在产业价值。
该文章发表于Science上
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx3741
