Många toppmoderna tekniker fungerar vid otroligt låga temperaturer. Superledande mikroprocessorer och kvantdatorer lovar att revolutionera beräkningar, men forskare måste hålla dem strax över absoluta nollpunkten (–459,67 ° Fahrenheit) för att skydda deras känsliga tillstånd. Ändå måste ultrakalla komponenter samverka med rumstemperatursystem, vilket ger både en utmaning och en möjlighet för ingenjörer

Ett internationellt team av forskare, ledda av Paolo Pintus från UC Santa Barbara, har designat en enhet för att hjälpa kryogena datorer att prata med sina motsvarigheter i fint väder. Mekanismen använder ett magnetfält för att omvandla data från elektrisk ström till ljuspulser. Ljuset kan sedan färdas via fiberoptiska kablar, som kan överföra mer information än vanliga elkablar samtidigt som den minimerar värmen som läcker in i det kryogena systemet. Teamets resultat visas i tidskriften Nature Electronics .

"En enhet som denna skulle kunna möjliggöra sömlös integration med banbrytande teknologier baserade på supraledare, till exempel", säger Pintus, en projektforskare vid UC Santa Barbaras Optoelectronics Research Group. Supraledare kan bära elektrisk ström utan någon energiförlust, men kräver vanligtvis temperaturer under –450° Fahrenheit för att fungera korrekt.

Just nu använder kryogena system vanliga metalltrådar för att ansluta till rumstemperaturelektronik. Tyvärr överför dessa ledningar värme till de kalla kretsarna och kan bara överföra en liten mängd data åt gången.

Pintus och hans medarbetare ville ta upp båda dessa frågor på en gång. "Lösningen är att använda ljus i en optisk fiber för att överföra information istället för att använda elektroner i en metallkabel", sa han.

Fiberoptik är standard i modern telekommunikation. Dessa tunna glaskablar bär information som ljuspulser mycket snabbare än metalltrådar kan bära elektriska laddningar. Som ett resultat kan fiberoptiska kablar vidarebefordra 1 000 gånger mer data än konventionella ledningar under samma tidsperiod. Och glas är en bra isolator, vilket innebär att det överför mycket mindre värme till de kryogena komponenterna än en metalltråd.

Att använda fiberoptik kräver dock ett extra steg:att konvertera data från elektriska signaler till optiska signaler med hjälp av en modulator. Detta är en rutinprocess vid omgivningsförhållanden, men blir lite knepig vid kryogena temperaturer.

Pintus och hans medarbetare byggde en enhet som översätter elektrisk input till ljuspulser. En elektrisk ström skapar ett magnetfält som ändrar de optiska egenskaperna hos en syntetisk granat. Forskare hänvisar till detta som den "magneto-optiska effekten."

Magnetfältet ändrar granatens brytningsindex, i huvudsak dess "densitet" till ljus. Genom att ändra denna egenskap kan Pintus ställa in amplituden för ljuset som cirkulerar i en mikroringresonator och interagerar med granaten. Detta skapar ljusa och mörka pulser som bär information genom den fiberoptiska kabeln som morsekod i en telegraftråd.

"Detta är den första höghastighetsmodulatorn som någonsin tillverkats med den magneto-optiska effekten," anmärkte Pintus.

Andra forskare har skapat modulatorer med hjälp av kondensatorliknande enheter och elektriska fält. Men dessa modulatorer har vanligtvis hög elektrisk impedans - de motstår växelströmsflödet - vilket gör dem till en dålig matchning för supraledare, som har i huvudsak noll elektrisk impedans. Eftersom den magneto-optiska modulatorn har låg impedans hoppas forskarna att den ska kunna samverka bättre med supraledarekretsar.

Teamet vidtog också åtgärder för att göra sin modulator så praktisk som möjligt. Den fungerar vid våglängder på 1 550 nanometer, samma våglängd av ljus som används i internettelekommunikation. Den tillverkades med standardmetoder, vilket förenklar tillverkningen.

Projektet var ett samarbete. Pintus och gruppdirektör John Bowers vid UC Santa Barbara ledde projektet, från idé, modellering och design till tillverkning och testning. Den syntetiska granaten odlades och karaktäriserades av en grupp forskare från Tokyo Institute of Technology som har samarbetat med teamet vid UCSB:s avdelning för elektro- och datateknik i flera forskningsprojekt tidigare.

En annan partner, Quantum Computing and Engineering-gruppen i BBN Raytheon, utvecklar de typer av supraledande kretsar som kan dra nytta av den nya tekniken. Deras samarbete med UCSB är långvarigt. Forskare vid BBN utförde lågtemperaturtestning av enheten för att verifiera dess prestanda i en realistisk supraledande datormiljö.

Enhetens bandbredd är cirka 2 gigabit per sekund. Det är inte mycket jämfört med datalänkar vid rumstemperatur, men Pintus sa att det är lovande för en första demonstration. Teamet behöver också göra enheten mer effektiv för att den ska bli användbar i praktiska tillämpningar. Men de tror att de kan uppnå detta genom att ersätta granaten med ett bättre material. "Vi skulle vilja undersöka andra material," tillade han, "och vi tror att vi kan uppnå en högre bithastighet. Till exempel visar europiumbaserade material en magnetoptisk effekt som är 300 gånger större än granaten."

Det finns massor av material att välja mellan, men inte mycket information som hjälper Pintus och hans kollegor att göra det valet. Forskare har studerat de magnetoptiska egenskaperna hos endast ett fåtal material vid låga temperaturer.

"De lovande resultaten som visas i detta arbete kan bana väg för en ny klass av energieffektiva kryogena enheter," sa Pintus, "som leder forskningen mot högpresterande (outforskade) magnetoptiska material som kan fungera vid låga temperaturer." + Utforska vidare

Ljusets handenhet håller nyckeln till bättre optisk kontroll