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(Noticias de Nanowerk) Muchas tecnologías de vanguardia funcionan a temperaturas increíblemente bajas. Los microprocesadores superconductores y las computadoras cuánticas prometen revolucionar la computación, pero los científicos deben mantenerlos justo por encima del cero absoluto (-459,67 F) para proteger sus delicados estados. Aún así, los componentes ultrafríos deben conectarse a sistemas de temperatura ambiente, lo que presenta tanto un desafío como una oportunidad para los ingenieros.
Un equipo internacional de científicos dirigido por Paolo Pintus de UC Santa Barbara ha desarrollado un dispositivo que permite que las computadoras criogénicas se comuniquen con sus contrapartes de buen tiempo. El mecanismo utiliza un campo magnético para convertir datos de corriente eléctrica en pulsos de luz. Luego, la luz se puede transmitir a través de cables de fibra óptica, que pueden transportar más información que los cables eléctricos normales y, al mismo tiempo, minimizar el calor que ingresa al sistema criogénico.
Los resultados del equipo aparecen en el diario. naturaleza electronica («Un modulador magneto-óptico integrado para aplicaciones criogénicas»).
«Un dispositivo como este podría permitir una integración perfecta con tecnologías de vanguardia, como las basadas en superconductores», dijo Pintus, científico del proyecto en el grupo de investigación de optoelectrónica de UC Santa Barbara. Los superconductores pueden transportar corriente eléctrica sin pérdida de energía, pero generalmente requieren temperaturas por debajo de -450 F para funcionar correctamente.
Actualmente, los sistemas criogénicos utilizan cables de metal estándar para interactuar con la electrónica a temperatura ambiente. Desafortunadamente, estos cables transfieren calor a los circuitos fríos y solo pueden transferir una pequeña cantidad de datos a la vez.
Pintus y sus colaboradores querían abordar ambos problemas simultáneamente. «La solución es usar luz en una fibra óptica para transportar información en lugar de usar electrones en un cable de metal», dijo.
Las fibras de vidrio son estándar en las telecomunicaciones modernas. Estos delgados cables de vidrio transportan información en forma de pulsos de luz mucho más rápido que los cables metálicos pueden transportar cargas eléctricas. Esto permite que los cables de fibra óptica transporten 1000 veces más datos que los cables tradicionales en la misma cantidad de tiempo. Y el vidrio es un buen aislante, lo que significa que transfiere mucho menos calor a los componentes criogénicos que un alambre de metal.
Sin embargo, el uso de fibra óptica requiere un paso adicional: convertir datos de señales eléctricas a señales ópticas mediante un modulador. Este es un proceso de rutina en condiciones ambientales pero se vuelve algo difícil a temperaturas criogénicas.
Pintus y sus colaboradores construyeron un dispositivo que convierte entradas eléctricas en pulsos de luz. Una corriente eléctrica crea un campo magnético que cambia las propiedades ópticas de un granate sintético. Los científicos llaman a esto el “efecto magneto-óptico”.
El campo magnético cambia el índice de refracción del granate, esencialmente su «densidad» a la luz. Al cambiar esta propiedad, Pintus puede ajustar la amplitud de la luz que circula en un resonador de microanillos e interactúa con el granate. Esto crea impulsos de luz y oscuridad que transportan información a través del cable de fibra óptica como el código Morse en una línea de telégrafo.
«Este es el primer modulador de alta velocidad que se haya fabricado utilizando el efecto magneto-óptico», señaló Pintus.
Otros investigadores han desarrollado moduladores utilizando dispositivos similares a condensadores y campos eléctricos. Sin embargo, estos moduladores suelen tener una alta impedancia eléctrica (resisten el flujo de energía de CA), lo que los convierte en una mala combinación para los superconductores, que esencialmente no tienen impedancia eléctrica. Dado que el modulador magneto-óptico tiene una baja impedancia, los científicos esperan que pueda acoplarse mejor con circuitos superconductores.
El equipo también tomó medidas para que su modulador fuera lo más práctico posible. Opera en longitudes de onda de 1.550 nanómetros, la misma longitud de onda de luz utilizada en las telecomunicaciones de Internet. Se fabricó utilizando métodos estándar, lo que facilita su fabricación.
Financiado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, el proyecto fue un esfuerzo de colaboración. Pintus y el líder del grupo de UC Santa Barbara, John Bowers, dirigieron el proyecto desde la concepción, pasando por el modelado y el diseño, hasta la fabricación y las pruebas. El granate sintético fue cultivado y caracterizado por un grupo de investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio, que ha colaborado con el equipo del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la UCSB en varios proyectos de investigación en el pasado.
Otro socio, el Grupo de ingeniería y computación cuántica de BBN Raytheon, está desarrollando los tipos de circuitos superconductores que podrían beneficiarse de la nueva tecnología. Su asociación con UCSB es de larga data. Los científicos de BBN realizaron las pruebas a baja temperatura del dispositivo para verificar su rendimiento en un entorno informático superconductor realista.
El ancho de banda del dispositivo es de unos 2 gigabits por segundo. Eso no es mucho en comparación con los enlaces de datos a temperatura ambiente, pero Pintus dijo que parece prometedor para una demostración inicial. El equipo también necesita hacer que el dispositivo sea más eficiente para que sea útil en aplicaciones prácticas. Sin embargo, creen que pueden lograrlo reemplazando el granate con un material mejor. «Nos gustaría explorar otros materiales», agregó, «y creemos que podemos lograr una tasa de bits más alta. Por ejemplo, los materiales a base de europio muestran un efecto magneto-óptico 300 veces mayor que el granate”.
Hay muchos materiales para elegir, pero poca información para ayudar a Pintus y sus colegas a elegir. Los científicos han estudiado las propiedades magnetoópticas de solo unos pocos materiales a bajas temperaturas.
«Los prometedores resultados presentados en este trabajo podrían allanar el camino para una nueva clase de dispositivos criogénicos energéticamente eficientes», dijo Pintus, «liderando la investigación hacia materiales magneto-ópticos (inexplorados) de alto rendimiento que pueden operar a bajas temperaturas».
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