Изследванията на Ruonan Han повишават скоростите на микроелектронните схеми, за да позволят нови приложения в комуникациите, сензорите и сигурността.
Хан, доцент, който наскоро получи титул в катедрата по електротехника и компютърни науки на Масачузетския технологичен институт, се фокусира върху производството на полупроводници, които работят ефективно при много високи честоти в опит да преодолее това, което е известно като „терахерцова празнина“.
Терахерцовата област на електромагнитния спектър, която се намира между микровълните и инфрачервената светлина, до голяма степен е убягнала на изследователите, тъй като конвенционалните електронни устройства са твърде бавни, за да манипулират терагерцовите вълни.
„Традиционно терахерцът е неизследвана територия за изследователите, просто защото, от гледна точка на честотата, той е твърде висок за хората от електрониката и твърде нисък за хората от фотониката“, казва той. „Имаме много ограничения в материалите и скоростите на устройствата, които могат да достигнат тези честоти, но след като стигнете до там, се случват много невероятни неща.“
Например вълните с честота терагерц могат да се движат през твърди повърхности и да генерират много прецизни изображения с висока разделителна способност на това, което е вътре, казва Хан.
Радиочестотните (RF) вълни могат да преминават и през повърхности — това е причината вашият Wi-Fi рутер да е в различна стая от вашия компютър. Но терахерцовите вълни са много по-малки от радиовълните, така че устройствата, които ги предават и приемат, също могат да бъдат по-малки.
Екипът на Хан, заедно с неговия сътрудник Ананта Чандракасан, декан на Инженерния факултет и професор по електротехника и компютърни науки във Ваневар Буш, наскоро демонстрира етикет за идентификация на терагерцова честота (TFID), който беше с размер едва 1 квадратен милиметър.
„Не е необходимо да има външни антени, така че по същество е просто парче силиций, което е супер евтино, супер малко и все още може да предоставя функциите, които може да изпълнява нормален RFID етикет. Тъй като е толкова малък, сега можете да маркирате почти всеки продукт, който искате, и да проследявате логистична информация, като например история на производството и т.н. Не можехме да правим това преди, но сега това се превръща във възможност“, казва той.
Настройване
Едно просто радио вдъхнови Хан да се занимава с инженерство.
Като дете във Вътрешна Монголия, провинция, която се простира по протежение на северната граница на Китай, той се задълбочава в книги, пълни със схеми на електрически вериги и съвети „направи си сам“ за правене на печатни платки. След това ученикът от началното училище се научи сам да прави радио.
„Не можех да инвестирам много в тези електронни компоненти или да прекарвам твърде много време в бърникане с тях, но там беше заложено семето“, казва той. „Не знаех всички подробности за това как работи, но когато го включих и видях всички компоненти да работят заедно, беше наистина невероятно.“
Хан учи микроелектроника в университета Фудан в Шанхай, като се фокусира върху физиката на полупроводниците, дизайна на вериги и микропроизводството.
Бързият напредък на технологичните компании от Силициевата долина вдъхнови Хан да се запише в висше училище в САЩ. Докато получава магистърска степен в Университета на Флорида, той работи в лабораторията на Кенет О, пионер на терагерцовите интегрални схеми, които сега движат изследванията на Хан.
„Тогава терахерците се смятаха за „твърде високи“ за силиконовите чипове, така че много хора смятаха, че това е луда идея. Но не мен. Чувствах се щастлив, че мога да работя с него“, казва Хан.
Той продължи това изследване като докторант в университета Корнел, където усъвършенства новаторски техники за свръхзареждане на мощността, която силиконовите чипове могат да генерират в терахерцовия домейн.
„С моя съветник от Cornell, Ехсан Афшари, експериментирахме с различни видове силициеви чипове и въведохме много „хакове“ по математика и физика, за да ги накараме да работят на много високи честоти“, казва той.
Когато чиповете станаха по-малки и по-бързи, Хан ги изтласка до предела им.
Да направим терахерца достъпен
Хан донесе този иновативен дух в Масачузетския технологичен институт, когато се присъедини към факултета на EECS като асистент през 2014 г. Той все още надхвърляше границите на производителността на силициевите чипове, сега с поглед върху практическите приложения.
„Нашата цел е не само да работим върху електрониката, но и да изследваме приложенията, които тази електроника може да активира, и да демонстрираме осъществимостта на тези приложения. Един особено важен аспект от моето изследване е, че ние не просто искаме да се занимаваме с терахерцовия спектър, ние искаме да го направим достъпен. Не искаме това да се случва само в лаборатории, а да се използва от всички. Така че, трябва да имате много евтини, много надеждни компоненти, за да можете да предоставите такива възможности,” казва той.
Хан проучва използването на терахерцовия обхват за бърз трансфер на данни с голям обем, който може да тласне безжичните устройства отвъд 5G. Терахерцовата лента може да бъде полезна и за кабелни комуникации. Наскоро Хан демонстрира използването на ултратънки кабели за предаване на данни между две точки със скорост от 100 гигабита в секунда.
Терахерцовите вълни също имат уникални свойства извън приложенията им в комуникационни устройства. Вълните карат различни молекули да се въртят с уникални скорости, така че изследователите могат да използват терахерцови устройства, за да разкрият състава на дадено вещество.
„Всъщност можем да направим евтини силиконови чипове, които могат да „помиришат“ газ. Създадохме спектрометър, който може едновременно да идентифицира голям набор от газови молекули с много ниски фалшиви аларми и висока чувствителност. Това е нещо, в което другият спектър не е добър“, казва той.
Екипът на Хан използва тази работа, за да изобрети молекулярен часовник, който превръща скоростта на молекулярно въртене във високо стабилен електрически синхронизиращ сигнал за навигационни, комуникационни и сензорни системи. Въпреки че функционира много като атомен часовник, този силиконов чип има по-опростена структура и значително намалена цена и размер.
Работата в до голяма степен неизследвани райони прави тази работа особено предизвикателна, казва Хан. Въпреки десетилетия напредък, полупроводниковата електроника все още не е достатъчно бърза, така че Хан и неговите ученици трябва постоянно да правят нововъведения, за да достигнат нивото на ефективност, необходимо за терагерцови устройства.
Работата също изисква интердисциплинарен начин на мислене. Сътрудничеството с колеги в други области, като химия и физика, позволява на Хан да проучи как технологията може да доведе до полезни нови приложения.
Хан се радва, че е в MIT, където студентите не се страхуват да поемат привидно неразрешими проблеми и той може да си сътрудничи с колеги, които правят невероятни изследвания в своите области.
„Всеки ден се сблъскваме с нови проблеми и мислим за идеи, които други хора, дори хора, които работят в тази област, може да смятат за супер луди. И тази област в момента е в начален стадий. Има много нови нововъзникващи материали и компоненти и непрекъснато се появяват нови нужди и потенциални приложения. Това е само началото. Пред нас ще има много големи възможности“, казва той.
