Veel state-of-the-art technologieën werken bij ongelooflijk lage temperaturen. Supergeleidende microprocessors en kwantumcomputers beloven een revolutie teweeg te brengen in de berekening, maar wetenschappers moeten ze net boven het absolute nulpunt (-459,67 ° Fahrenheit) houden om hun delicate toestand te beschermen. Toch moeten ultrakoude componenten communiceren met kamertemperatuursystemen, wat zowel een uitdaging als een kans is voor ingenieurs

Een internationaal team van wetenschappers, onder leiding van Paolo Pintus van UC Santa Barbara, heeft een apparaat ontworpen om cryogene computers te helpen praten met hun tegenhangers bij mooi weer. Het mechanisme gebruikt een magnetisch veld om gegevens van elektrische stroom om te zetten in lichtpulsen. Het licht kan dan reizen via glasvezelkabels, die meer informatie kunnen verzenden dan gewone elektrische kabels, terwijl de warmte die in het cryogene systeem lekt, wordt geminimaliseerd. De resultaten van het team verschijnen in het tijdschrift Nature Electronics .

"Een apparaat als dit kan naadloze integratie mogelijk maken met geavanceerde technologieën op basis van bijvoorbeeld supergeleiders", zegt Pintus, een projectwetenschapper bij de Optoelectronics Research Group van UC Santa Barbara. Supergeleiders kunnen elektrische stroom voeren zonder enig energieverlies, maar vereisen doorgaans temperaturen van minder dan -450° Fahrenheit om goed te werken.

Op dit moment gebruiken cryogene systemen standaard metalen draden om verbinding te maken met elektronica op kamertemperatuur. Helaas dragen deze draden warmte over naar de koude circuits en kunnen ze slechts een kleine hoeveelheid gegevens tegelijk verzenden.

Pintus en zijn medewerkers wilden beide problemen tegelijk aanpakken. "De oplossing is het gebruik van licht in een optische vezel om informatie over te dragen in plaats van elektronen in een metalen kabel", zei hij.

Glasvezel is standaard in moderne telecommunicatie. Deze dunne glazen kabels dragen informatie als lichtpulsen die veel sneller zijn dan metalen draden elektrische ladingen kunnen dragen. Als gevolg hiervan kunnen glasvezelkabels in dezelfde tijdspanne 1.000 keer meer gegevens doorgeven dan conventionele draden. En glas is een goede isolator, wat betekent dat het veel minder warmte afgeeft aan de cryogene componenten dan een metaaldraad.

Het gebruik van glasvezel vereist echter een extra stap:het omzetten van gegevens van elektrische signalen naar optische signalen met behulp van een modulator. Dit is een routineproces bij omgevingscondities, maar wordt een beetje lastig bij cryogene temperaturen.

Pintus en zijn medewerkers bouwden een apparaat dat elektrische input omzet in lichtpulsen. Een elektrische stroom creëert een magnetisch veld dat de optische eigenschappen van een synthetische granaat verandert. Wetenschappers noemen dit het 'magneto-optische effect'.

Het magnetische veld verandert de brekingsindex van de granaat, in wezen de "dichtheid" tot licht. Door deze eigenschap te veranderen, kan Pintus de amplitude afstemmen van het licht dat circuleert in een microringresonator en interageert met de granaat. Dit creëert heldere en donkere pulsen die informatie door de glasvezelkabel transporteren, zoals morsecode in een telegraafdraad.

"Dit is de eerste hogesnelheidsmodulator die ooit is gefabriceerd met behulp van het magneto-optische effect", merkte Pintus op.

Andere onderzoekers hebben modulatoren gemaakt met behulp van condensatorachtige apparaten en elektrische velden. Deze modulatoren hebben echter meestal een hoge elektrische impedantie - ze zijn bestand tegen de stroom van wisselstroom - waardoor ze een slechte match zijn voor supergeleiders, die in wezen geen elektrische impedantie hebben. Omdat de magneto-optische modulator een lage impedantie heeft, hopen de wetenschappers dat hij beter kan communiceren met supergeleidercircuits.

Het team heeft ook stappen ondernomen om hun modulator zo praktisch mogelijk te maken. Het werkt op golflengten van 1.550 nanometer, dezelfde golflengte van licht die wordt gebruikt in internettelecommunicatie. Het werd geproduceerd met behulp van standaardmethoden, wat de productie ervan vereenvoudigt.

Het project was een gezamenlijke inspanning. Pintus en groepsdirecteur John Bowers van UC Santa Barbara leidden het project, van conceptie, modellering en ontwerp tot fabricage en testen. De synthetische granaat werd gekweekt en gekarakteriseerd door een groep onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology die in het verleden met het team van de afdeling Electrical and Computer Engineering van UCSB hebben samengewerkt aan verschillende onderzoeksprojecten.

Een andere partner, de Quantum Computing and Engineering-groep van BBN Raytheon, ontwikkelt de soorten supergeleidende circuits die kunnen profiteren van de nieuwe technologie. Hun samenwerking met UCSB is een langdurige. Wetenschappers van BBN hebben het apparaat bij lage temperaturen getest om de prestaties te verifiëren in een realistische supergeleidende computeromgeving.

De bandbreedte van het apparaat is ongeveer 2 gigabit per seconde. Het is niet veel vergeleken met datalinks bij kamertemperatuur, maar Pintus zei dat het veelbelovend is voor een eerste demonstratie. Het team moet het apparaat ook efficiënter maken zodat het bruikbaar wordt in praktische toepassingen. Ze geloven echter dat ze dit kunnen bereiken door de granaat te vervangen door een beter materiaal. "We willen graag andere materialen onderzoeken," voegde hij eraan toe, "en we denken dat we een hogere bitrate kunnen bereiken. Materialen op basis van europium vertonen bijvoorbeeld een magneto-optisch effect dat 300 keer groter is dan de granaat."

Er zijn genoeg materialen om uit te kiezen, maar niet veel informatie om Pintus en zijn collega's te helpen die keuze te maken. Wetenschappers hebben de magneto-optische eigenschappen van slechts enkele materialen bij lage temperaturen bestudeerd.

"De veelbelovende resultaten die in dit werk worden aangetoond, kunnen de weg vrijmaken voor een nieuwe klasse van energiezuinige cryogene apparaten," zei Pintus, "die het onderzoek leiden naar hoogwaardige (onontdekte) magneto-optische materialen die bij lage temperaturen kunnen werken." + Verder verkennen

De handigheid van licht is de sleutel tot betere optische controle