No futuro, muitos computadores provavelmente serão baseados em circuitos eletrônicos feitos de supercondutores. Estes são materiais através dos quais uma corrente elétrica pode fluir sem perdas de energia, podendo ser muito promissores para o desenvolvimento de supercomputadores e computadores quânticos de alto desempenho.
Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, Raytheon BBN Technologies, Universidade de Cagliari, Microsoft Research e do Instituto de Tecnologia de Tóquio desenvolveram recentemente um modulador magneto-óptico – um dispositivo que controla as propriedades de um feixe de luz através de um campo magnético. Este dispositivo, apresentado em um artigo publicado na Nature Electronics , poderia contribuir para a implementação de eletrônica em larga escala e computadores baseados em supercondutores.

“Estamos trabalhando em uma nova tecnologia que pode acelerar supercomputadores de alto desempenho e computadores quânticos baseados na tecnologia de supercondutores”, disse Paolo Pintus, pesquisador que liderou o estudo, ao TechXplore. "Os supercondutores funcionam adequadamente apenas em baixas temperaturas, geralmente um pouco acima do zero absoluto (-273,15° Celsius). Por isso, os circuitos feitos com esses materiais devem ser mantidos dentro de um refrigerador dedicado."

Circuitos feitos de supercondutores são normalmente conectados ao ambiente externo usando cabos metálicos. Esses cabos têm uma velocidade de comunicação limitada e podem transferir calor para um circuito frio.

Uma alternativa promissora seria a utilização de fibras ópticas, fios de vidro finos e flexíveis que podem transmitir sinais de luz e atualmente são usados ​​para levar dados da internet a longas distâncias. Essas fibras oferecem duas vantagens principais em relação aos cabos metálicos:podem transmitir 1.000 vezes mais dados no mesmo período de tempo sem transferir calor, já que o vidro é um bom isolante térmico.

"Como parte de nosso trabalho, projetamos e fabricamos um dispositivo (conhecido como 'modulador óptico') que converte em luz a informação transportada por uma corrente elétrica em um eletroímã", explicou Pintus. "Isso é graças a um mecanismo físico chamado 'efeito magneto-óptico'. Essa luz pode viajar através de uma fibra óptica e levar informações para fora do ambiente frio, sem alterar a funcionalidade do circuito frio."

Moduladores ópticos como o dispositivo criado por Pintus e seus colegas permitem aos pesquisadores controlar as propriedades dos feixes de luz, para que possam transferir informações na forma de sinais ópticos. Esses moduladores têm inúmeras aplicações potenciais, por exemplo, permitindo a transmissão de códigos binários (um e zero) a longas distâncias.

O modulador magneto-óptico criado pelos pesquisadores usa uma corrente elétrica para gerar um campo magnético. Este campo magnético, por sua vez, induz uma mudança nas propriedades ópticas de uma granada sintética onde a luz está se propagando.

"O mecanismo que sustenta nosso modulador é análogo a um guitarrista que altera a rigidez das cordas para tocar um som diferente", disse Pintus. "No nosso caso, o campo magnético controla a densidade óptica do meio onde a luz está viajando, de modo que quando a luz pode se propagar, temos um '1', e quando a luz é atenuada, temos um '0'. "

Nas avaliações iniciais, o modulador magneto-óptico criado por Pintus e seus colegas alcançou resultados altamente promissores. Mais notavelmente, atingiu uma velocidade de modulação relativamente rápida (alguns Gigabits por segundo) e pode operar em temperaturas tão baixas quanto 4 K (-269,15° Celsius).

"Este é o componente chave para permitir uma grande taxa de transferência de dados com eficiência energética de circuitos supercondutores, operando dentro de um criostato em baixa temperatura e temperatura ambiente", disse Pintus. "Normalmente, os moduladores ópticos são baseados em alguns efeitos eletro-ópticos, onde um campo elétrico altera a propriedade óptica do material onde a luz está se propagando. O efeito magneto-óptico que usamos, por outro lado, é um efeito duplo , onde um campo magnético altera a propriedade óptica de um meio."

Embora o efeito magneto-óptico seja bem conhecido e amplamente estudado, Pintus e seus colegas estavam entre os poucos que investigaram seu valor potencial para a criação de moduladores. Essa área não havia sido explorada muito antes porque a fabricação de dispositivos magneto-ópticos integrados e a aplicação de campos magnéticos rápidos variantes no tempo podem ser muito desafiadoras. Além disso, o efeito magneto-óptico tende a estar associado a tempos de resposta significativamente mais lentos do que os efeitos eletro-ópticos.

"O nosso é a primeira prova de conceito de um modulador de alta velocidade baseado em um efeito magneto-óptico", disse Pintus. "Com este modulador, demonstramos um bloco de construção fundamental para permitir uma comunicação eficaz entre o ambiente criogênico e a eletrônica de temperatura ambiente usando fibras ópticas. Em comparação com os moduladores criogênicos (eletro-ópticos) anteriores, nossa solução proposta tem uma estrutura muito simples e é compatível com circuitos supercondutores, já que a impedância elétrica de entrada é muito pequena."

O desempenho promissor e a natureza criogênica do modulador dos pesquisadores o tornam adequado para conectar eletrônicos padrão (à temperatura ambiente) com supercondutores criogênicos e arquitetura de computação quântica. No futuro, este estudo recente pode abrir caminho para novas pesquisas com foco em materiais magneto-ópticos para modulação óptica e em suas potenciais aplicações de computação.

"Em nosso trabalho, demonstramos uma taxa de modulação de 2 Gigabit por segundo com consumo de energia abaixo de 4 picojoule por bit de informação transferida, que pode ser reduzido em 80 vezes (abaixo de 50 femtojoule por bit) otimizando a processo de fabricação no mesmo sistema de material", acrescentou Pintus. "Embora este desempenho seja impressionante, acreditamos que há muito espaço para melhorias adicionais. Em nossos próximos trabalhos, gostaríamos de explorar outros materiais para alcançar maior taxa de modulação e menor consumo de energia. O campo de material magneto-óptico criogênico é uma área inexplorada e serão necessárias mais investigações para restringir os materiais mais promissores." + Explorar mais

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