Mange toppmoderne teknologier fungerer ved utrolig lave temperaturer. Superledende mikroprosessorer og kvantedatamaskiner lover å revolusjonere beregningen, men forskere må holde dem like over det absolutte nullpunktet (-459,67 ° Fahrenheit) for å beskytte deres delikate tilstander.
Likevel må ultrakalde komponenter kobles til romtemperatursystemer, noe som gir både en utfordring og en mulighet for ingeniører.
Et internasjonalt team av forskere, ledet av UC Santa Barbaras Paolo Pintus, har designet en enhet for å hjelpe kryogene datamaskiner å snakke med sine motparter i fint vær. Mekanismen bruker et magnetfelt til å konvertere data fra elektrisk strøm til lyspulser.
Lyset kan da reise via fiberoptiske kabler, som kan overføre mer informasjon enn vanlige elektriske kabler samtidig som den minimerer varmen som lekker inn i det kryogene systemet. Teamets resultater vises i tidsskriftet Nature Electronics.
“En enhet som dette kan muliggjøre sømløs integrasjon med banebrytende teknologier basert på superledere, for eksempel,” sa Pintus, en prosjektforsker i UCSBs Optoelectronics Research Group. Superledere kan føre elektrisk strøm uten energitap, men krever vanligvis temperaturer under -450 ° Fahrenheit for å fungere ordentlig.
Akkurat nå bruker kryogene systemer standard metallledninger for å koble til romtemperaturelektronikk. Dessverre overfører disse ledningene varme til de kalde kretsene og kan bare overføre en liten mengde data om gangen.
Pintus og hans samarbeidspartnere ønsket å ta opp begge disse problemene samtidig. “Løsningen er å bruke lys i en optisk fiber for å overføre informasjon i stedet for å bruke elektroner i en metallkabel,” sa han.
Fiberoptikk er standard i moderne telekommunikasjon. Disse tynne glasskablene bærer informasjon som lyspulser langt raskere enn metalltråder kan bære elektriske ladninger. Som et resultat kan fiberoptiske kabler videresende 1000 ganger mer data enn konvensjonelle ledninger over samme tidsrom. Og glass er en god isolator, noe som betyr at det vil overføre langt mindre varme til de kryogene komponentene enn en metalltråd.
Bruk av fiberoptikk krever imidlertid et ekstra trinn: konvertering av data fra elektriske signaler til optiske signaler ved hjelp av en modulator. Dette er en rutineprosess ved omgivelsesforhold, men blir litt vanskelig ved kryogene temperaturer.
Pintus og hans samarbeidspartnere bygde en enhet som oversetter elektrisk input til lyspulser. En elektrisk strøm skaper et magnetfelt som endrer de optiske egenskapene til en syntetisk granat. Forskere omtaler dette som den “magneto-optiske effekten.”
Magnetfeltet endrer granatens brytningsindeks, i hovedsak dens “tetthet” til lys. Ved å endre denne egenskapen kan Pintus justere amplituden til lyset som sirkulerer i en mikroringresonator og samhandler med granaten. Dette skaper lyse og mørke pulser som fører informasjon gjennom den fiberoptiske kabelen som morsekode i en telegrafledning.
“Dette er den første høyhastighetsmodulatoren som noen gang er produsert med den magneto-optiske effekten,” bemerket Pintus.
Andre forskere har laget modulatorer ved hjelp av kondensatorlignende enheter og elektriske felt. Imidlertid har disse modulatorene vanligvis høy elektrisk impedans – de motstår flyten av vekselstrøm – noe som gjør dem til en dårlig match for superledere, som i hovedsak har null elektrisk impedans.
Siden den magneto-optiske modulatoren har lav impedans, håper forskerne at den vil kunne kommunisere bedre med superlederkretser.
Teamet tok også skritt for å gjøre modulatoren deres så praktisk som mulig. Den opererer ved bølgelengder på 1550 nanometer, samme bølgelengde av lys som brukes i internett-telekommunikasjon. Den ble produsert ved bruk av standardmetoder, noe som forenkler produksjonen.
Prosjektet, finansiert av Air Force Office of Scientific Research, var et samarbeid. Pintus og gruppedirektør John Bowers ved UCSB ledet prosjektet, fra unnfangelse, modellering og design gjennom fabrikasjon og testing.
Den syntetiske granaten ble dyrket og preget av en gruppe forskere fra Tokyo Institute of Technology som har samarbeidet med teamet ved UCSBs avdeling for elektro- og datateknikk om flere forskningsprosjekter tidligere.
En annen partner, Quantum Computing and Engineering-gruppen til BBN Raytheon, utvikler den typen superledende kretser som kan dra nytte av den nye teknologien. Deres samarbeid med UCSB er langvarig.
Forskere ved BBN utførte lavtemperaturtesting av enheten for å bekrefte ytelsen i et realistisk superledende datamiljø.
Enhetens båndbredde er rundt 2 gigabit per sekund. Det er ikke mye sammenlignet med datakoblinger ved romtemperatur, men Pintus sa at det er lovende for en første demonstrasjon. Teamet må også gjøre enheten mer effektiv for at den skal bli nyttig i praktiske applikasjoner. De tror imidlertid de kan oppnå dette ved å erstatte granaten med et bedre materiale.
“Vi vil gjerne undersøke andre materialer, og vi tror vi kan oppnå en høyere bitrate,” sa han. “For eksempel viser europium-baserte materialer en magneto-optisk effekt 300 ganger større enn granaten.”
Det er nok av materialer å velge mellom, men ikke mye informasjon for å hjelpe Pintus og kollegene hans til å ta det valget. Forskere har studert de magneto-optiske egenskapene til bare noen få materialer ved lave temperaturer.
“De lovende resultatene som ble demonstrert i dette arbeidet kan bane vei for en ny klasse av energieffektive kryogene enheter,” sa Pintus, “som leder forskningen mot høyytende (uutforskede) magneto-optiske materialer som kan operere ved lave temperaturer.”