Modulatore MO integrato. a, Vista prospettica del dispositivo (non in scala). La bobina d'oro superiore viene utilizzata per applicare un campo magnetico radiale al Ce:YIG sottostante, rendendolo non reciproco. Il microring in silicio e la guida d'onda in silicio, nella configurazione del filtro all-pass, sono visibili attraverso il rivestimento superiore trasparente. b, Sezione del microanello e dell'elettromagnete (non in scala) dove sono evidenziati la direzione della corrente elettrica e del campo magnetico. c, Micrografia ottica del campione fabbricato (vista dall'alto). Credito:Nature Electronics (2022). DOI:10.1038/s41928-022-00823-w
Molte tecnologie all'avanguardia funzionano a temperature incredibilmente basse. Microprocessori superconduttori e computer quantistici promettono di rivoluzionare il calcolo, ma gli scienziati devono mantenerli appena sopra lo zero assoluto (–459,67° Fahrenheit) per proteggere i loro stati delicati. Tuttavia, i componenti ultrafreddi devono interfacciarsi con i sistemi a temperatura ambiente, fornendo sia una sfida che un'opportunità per gli ingegneri
Un team internazionale di scienziati, guidato da Paolo Pintus dell'UC Santa Barbara, ha progettato un dispositivo per aiutare i computer criogenici a parlare con le loro controparti del bel tempo. Il meccanismo utilizza un campo magnetico per convertire i dati dalla corrente elettrica in impulsi di luce. La luce può quindi viaggiare tramite cavi in fibra ottica, che possono trasmettere più informazioni rispetto ai normali cavi elettrici riducendo al minimo il calore che fuoriesce nel sistema criogenico. I risultati del team compaiono sulla rivista Nature Electronics .
"Un dispositivo come questo potrebbe consentire una perfetta integrazione con tecnologie all'avanguardia basate su superconduttori, ad esempio", ha affermato Pintus, uno scienziato del progetto nel gruppo di ricerca sull'optoelettronica della UC Santa Barbara. I superconduttori possono trasportare corrente elettrica senza alcuna perdita di energia, ma in genere richiedono temperature inferiori a –450° Fahrenheit per funzionare correttamente.
In questo momento, i sistemi criogenici utilizzano fili metallici standard per il collegamento con l'elettronica a temperatura ambiente. Sfortunatamente, questi fili trasferiscono il calore nei circuiti freddi e possono trasmettere solo una piccola quantità di dati alla volta.
Pintus ei suoi collaboratori hanno voluto affrontare entrambi questi problemi contemporaneamente. "La soluzione consiste nell'utilizzare la luce in una fibra ottica per trasferire informazioni invece di utilizzare gli elettroni in un cavo metallico", ha affermato.
Le fibre ottiche sono standard nelle moderne telecomunicazioni. Questi sottili cavi di vetro trasportano informazioni sotto forma di impulsi di luce molto più veloci di quanto i fili metallici possano trasportare cariche elettriche. Di conseguenza, i cavi in fibra ottica possono trasmettere 1.000 volte più dati rispetto ai cavi convenzionali nello stesso intervallo di tempo. E il vetro è un buon isolante, il che significa che trasferirà molto meno calore ai componenti criogenici rispetto a un filo metallico.
Tuttavia, l'utilizzo della fibra ottica richiede un passaggio aggiuntivo:convertire i dati dai segnali elettrici in segnali ottici utilizzando un modulatore. Questo è un processo di routine in condizioni ambientali, ma diventa un po' complicato a temperature criogeniche.
Pintus e i suoi collaboratori hanno costruito un dispositivo che traduce l'input elettrico in impulsi di luce. Una corrente elettrica crea un campo magnetico che modifica le proprietà ottiche di un granato sintetico. Gli scienziati chiamano questo "effetto magneto-ottico".
Il campo magnetico cambia l'indice di rifrazione del granato, essenzialmente la sua "densità" in luce. Modificando questa proprietà, Pintus può regolare l'ampiezza della luce che circola in un risuonatore a micro-anello e interagisce con il granato. Questo crea impulsi luminosi e scuri che trasportano informazioni attraverso il cavo in fibra ottica come il codice Morse in un filo telegrafico.
"Questo è il primo modulatore ad alta velocità mai fabbricato utilizzando l'effetto magneto-ottico", ha osservato Pintus.
Altri ricercatori hanno creato modulatori utilizzando dispositivi simili a condensatori e campi elettrici. Tuttavia, questi modulatori di solito hanno un'impedenza elettrica elevata, resistono al flusso di corrente alternata, il che li rende poco adatti ai superconduttori, che hanno un'impedenza elettrica essenzialmente zero. Poiché il modulatore magneto-ottico ha una bassa impedenza, gli scienziati sperano che sia in grado di interfacciarsi meglio con i circuiti dei superconduttori.
Il team ha anche adottato misure per rendere il proprio modulatore il più pratico possibile. Funziona a lunghezze d'onda di 1.550 nanometri, la stessa lunghezza d'onda della luce utilizzata nelle telecomunicazioni su Internet. È stato prodotto utilizzando metodi standard, il che ne semplifica la produzione.
Il progetto è stato uno sforzo di collaborazione. Pintus e il direttore del gruppo John Bowers presso l'UC Santa Barbara hanno guidato il progetto, dall'ideazione, modellazione e design fino alla fabbricazione e al collaudo. Il granato sintetico è stato coltivato e caratterizzato da un gruppo di ricercatori del Tokyo Institute of Technology che in passato hanno collaborato con il team del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell'UCSB a diversi progetti di ricerca.
Un altro partner, il gruppo Quantum Computing and Engineering di BBN Raytheon, sviluppa i tipi di circuiti superconduttori che potrebbero trarre vantaggio dalla nuova tecnologia. La loro collaborazione con l'UCSB è di lunga data. Gli scienziati della BBN hanno eseguito i test a bassa temperatura del dispositivo per verificarne le prestazioni in un ambiente informatico realistico e superconduttore.
La larghezza di banda del dispositivo è di circa 2 gigabit al secondo. Non è molto rispetto ai collegamenti dati a temperatura ambiente, ma Pintus ha detto che è promettente per una prima dimostrazione. Il team deve anche rendere il dispositivo più efficiente affinché diventi utile nelle applicazioni pratiche. Tuttavia, credono di poter raggiungere questo obiettivo sostituendo il granato con un materiale migliore. "Vorremmo studiare altri materiali", ha aggiunto, "e pensiamo di poter ottenere un bitrate più elevato. Ad esempio, i materiali a base di europio mostrano un effetto magneto-ottico 300 volte più grande del granato".
Ci sono molti materiali tra cui scegliere, ma non molte informazioni per aiutare Pintus e i suoi colleghi a fare quella scelta. Gli scienziati hanno studiato le proprietà magneto-ottiche solo di pochi materiali a basse temperature.
"I risultati promettenti dimostrati in questo lavoro potrebbero aprire la strada a una nuova classe di dispositivi criogenici ad alta efficienza energetica", ha affermato Pintus, "guidando la ricerca verso materiali magneto-ottici ad alte prestazioni (inesplorati) che possono funzionare a basse temperature". + Esplora ulteriormente
