De nombreuses technologies de pointe fonctionnent à des températures incroyablement basses. Les microprocesseurs supraconducteurs et les ordinateurs quantiques promettent de révolutionner le calcul, mais les scientifiques doivent les maintenir juste au-dessus du zéro absolu (-459,67° Fahrenheit) pour protéger leurs états délicats. Pourtant, les composants ultra-froids doivent s'interfacer avec les systèmes à température ambiante, ce qui représente à la fois un défi et une opportunité pour les ingénieurs

Une équipe internationale de scientifiques, dirigée par Paolo Pintus de l'UC Santa Barbara, a conçu un dispositif pour aider les ordinateurs cryogéniques à communiquer avec leurs homologues par beau temps. Le mécanisme utilise un champ magnétique pour convertir les données du courant électrique en impulsions lumineuses. La lumière peut ensuite voyager via des câbles à fibres optiques, qui peuvent transmettre plus d'informations que les câbles électriques ordinaires tout en minimisant la chaleur qui s'échappe dans le système cryogénique. Les résultats de l'équipe paraissent dans la revue Nature Electronics .

"Un appareil comme celui-ci pourrait permettre une intégration transparente avec des technologies de pointe basées sur les supraconducteurs, par exemple", a déclaré Pintus, scientifique du projet au sein du groupe de recherche en optoélectronique de l'UC Santa Barbara. Les supraconducteurs peuvent transporter du courant électrique sans aucune perte d'énergie, mais nécessitent généralement des températures inférieures à -450 ° Fahrenheit pour fonctionner correctement.

À l'heure actuelle, les systèmes cryogéniques utilisent des fils métalliques standard pour se connecter à l'électronique à température ambiante. Malheureusement, ces fils transfèrent de la chaleur dans les circuits froids et ne peuvent transmettre qu'une petite quantité de données à la fois.

Pintus et ses collaborateurs ont voulu aborder ces deux questions à la fois. "La solution consiste à utiliser la lumière dans une fibre optique pour transférer des informations au lieu d'utiliser des électrons dans un câble métallique", a-t-il déclaré.

La fibre optique est la norme dans les télécommunications modernes. Ces câbles de verre minces transportent des informations sous forme d'impulsions lumineuses beaucoup plus rapides que les fils métalliques ne peuvent transporter des charges électriques. En conséquence, les câbles à fibres optiques peuvent relayer 1 000 fois plus de données que les câbles conventionnels sur la même période. Et le verre est un bon isolant, ce qui signifie qu'il transférera beaucoup moins de chaleur aux composants cryogéniques qu'un fil métallique.

Cependant, l'utilisation de la fibre optique nécessite une étape supplémentaire :convertir les données des signaux électriques en signaux optiques à l'aide d'un modulateur. Il s'agit d'un processus de routine dans des conditions ambiantes, mais devient un peu délicat à des températures cryogéniques.

Pintus et ses collaborateurs ont construit un appareil qui traduit l'entrée électrique en impulsions lumineuses. Un courant électrique crée un champ magnétique qui modifie les propriétés optiques d'un grenat synthétique. Les scientifiques appellent cela "l'effet magnéto-optique".

Le champ magnétique modifie l'indice de réfraction du grenat, essentiellement sa "densité" à la lumière. En modifiant cette propriété, Pintus peut régler l'amplitude de la lumière qui circule dans un résonateur à micro-anneaux et interagit avec le grenat. Cela crée des impulsions lumineuses et sombres qui transportent des informations à travers le câble à fibre optique comme le code Morse dans un fil télégraphique.

"Il s'agit du premier modulateur à grande vitesse jamais fabriqué en utilisant l'effet magnéto-optique", a fait remarquer Pintus.

D'autres chercheurs ont créé des modulateurs utilisant des dispositifs de type condensateur et des champs électriques. Cependant, ces modulateurs ont généralement une impédance électrique élevée - ils résistent au flux de courant alternatif - ce qui en fait un mauvais match pour les supraconducteurs, qui ont essentiellement une impédance électrique nulle. Étant donné que le modulateur magnéto-optique a une faible impédance, les scientifiques espèrent qu'il pourra mieux s'interfacer avec les circuits supraconducteurs.

L'équipe a également pris des mesures pour rendre son modulateur aussi pratique que possible. Il fonctionne à des longueurs d'onde de 1 550 nanomètres, la même longueur d'onde de lumière utilisée dans les télécommunications Internet. Il a été produit selon des méthodes standards, ce qui simplifie sa fabrication.

Le projet était un effort de collaboration. Pintus et le directeur du groupe John Bowers de l'UC Santa Barbara ont dirigé le projet, de la conception, de la modélisation et de la conception à la fabrication et aux tests. Le grenat synthétique a été cultivé et caractérisé par un groupe de chercheurs du Tokyo Institute of Technology qui ont collaboré avec l'équipe du département de génie électrique et informatique de l'UCSB sur plusieurs projets de recherche dans le passé.

Un autre partenaire, le groupe Quantum Computing and Engineering de BBN Raytheon, développe les types de circuits supraconducteurs qui pourraient bénéficier de la nouvelle technologie. Leur collaboration avec l'UCSB est de longue date. Les scientifiques de BBN ont effectué les tests à basse température de l'appareil pour vérifier ses performances dans un environnement informatique supraconducteur réaliste.

La bande passante de l'appareil est d'environ 2 gigabits par seconde. Ce n'est pas beaucoup par rapport aux liaisons de données à température ambiante, mais Pintus a déclaré que c'était prometteur pour une première démonstration. L'équipe doit également rendre l'appareil plus efficace pour qu'il devienne utile dans des applications pratiques. Cependant, ils pensent pouvoir y parvenir en remplaçant le grenat par un meilleur matériau. "Nous aimerions étudier d'autres matériaux", a-t-il ajouté, "et nous pensons que nous pouvons atteindre un débit binaire plus élevé. Par exemple, les matériaux à base d'europium présentent un effet magnéto-optique 300 fois plus important que le grenat."

Il y a beaucoup de matériaux parmi lesquels choisir, mais peu d'informations pour aider Pintus et ses collègues à faire ce choix. Les scientifiques ont étudié les propriétés magnéto-optiques de quelques matériaux seulement à basse température.

"Les résultats prometteurs démontrés dans ce travail pourraient ouvrir la voie à une nouvelle classe de dispositifs cryogéniques économes en énergie", a déclaré Pintus, "menant la recherche vers des matériaux magnéto-optiques hautes performances (inexplorés) pouvant fonctionner à basse température". + Explorer plus loin

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