Výzkum společnosti Ruonan Han zvyšuje rychlost mikroelektronických obvodů, aby umožnil nové aplikace v komunikaci, snímání a zabezpečení.
Han, docent, který nedávno získal funkční období na katedře elektrotechniky a informatiky MIT, se zaměřuje na výrobu polovodičů, které efektivně fungují při velmi vysokých frekvencích ve snaze překlenout to, co je známé jako „terahertzová mezera“.
Terahertzová oblast elektromagnetického spektra, která leží mezi mikrovlnami a infračerveným světlem, výzkumníkům do značné míry unikala, protože konvenční elektronická zařízení jsou příliš pomalá na to, aby manipulovaly s terahertzovými vlnami.
„Tradičně byl terahertz pro výzkumníky neprozkoumaným územím jednoduše proto, že frekvenčně je příliš vysoký pro lidi z elektroniky a příliš nízký pro lidi z fotoniky,“ říká. "Máme mnoho omezení v materiálech a rychlostech zařízení, která mohou těchto frekvencí dosáhnout, ale jakmile se tam dostanete, stane se spousta úžasných věcí."
Například terahertzové frekvenční vlny se mohou pohybovat pevnými povrchy a vytvářet velmi přesné snímky s vysokým rozlišením toho, co je uvnitř, říká Han.
Radiofrekvenční vlny (RF) mohou také procházet povrchy – to je důvod, proč může být váš router Wi-Fi v jiné místnosti než váš počítač. Ale terahertzové vlny jsou mnohem menší než rádiové vlny, takže zařízení, která je vysílají a přijímají, mohou být také menší.
Hanův tým spolu s jeho spolupracovnicí Ananthou Chandrakasanovou, děkankou Fakulty inženýrství a profesorem elektrotechniky a informatiky Vannevar Bush, nedávno demonstrovali značku terahertzové frekvenční identifikace (TFID), která měla velikost sotva 1 milimetr čtvereční.
„Nepotřebuje mít žádné externí antény, takže je to v podstatě jen kus křemíku, který je superlevný, supermalý a přesto dokáže poskytovat funkce, které může dělat běžný štítek RFID. Protože je tak malý, můžete nyní označit téměř jakýkoli produkt, který chcete, a sledovat logistické informace, jako je historie výroby atd. Dříve jsme to nemohli udělat, ale nyní je to možné,“ říká.
Ladění
Jednoduché rádio inspirovalo Hana, aby se věnoval inženýrství.
Jako dítě ve Vnitřním Mongolsku, provincii, která se rozprostírá podél severní hranice Číny, hloubal nad knihami plnými schémat obvodů a tipů pro kutily pro výrobu desek s plošnými spoji. Žák základní školy se pak sám naučil postavit rádio.
„Nemohl jsem do těch elektronických součástek hodně investovat nebo s nimi trávit příliš mnoho času, ale to bylo místo, kde bylo semínko zasazeno,“ říká. "Nevěděl jsem všechny podrobnosti o tom, jak to funguje, ale když jsem to zapnul a viděl, že všechny komponenty spolupracují, bylo to opravdu úžasné."
Han studoval mikroelektroniku na univerzitě Fudan v Šanghaji se zaměřením na fyziku polovodičů, návrh obvodů a mikrovýrobu.
Rychlý pokrok technologických společností ze Silicon Valley inspiroval Hana, aby se zapsal na postgraduální školu v USA. Zatímco získal magisterský titul na Floridské univerzitě, pracoval v laboratoři Kennetha O, průkopníka terahertzových integrovaných obvodů, které nyní řídí Hanův výzkum.
„Tehdy byl terahertz považován za ‚příliš vysoký‘ pro křemíkové čipy, takže si mnoho lidí myslelo, že je to bláznivý nápad. Ale ne já. Cítil jsem se opravdu šťastný, že jsem s ním mohl pracovat,“ říká Han.
Pokračoval v tomto výzkumu jako doktorand na Cornellově univerzitě, kde zdokonalil inovativní techniky pro přebití energie, kterou mohou křemíkové čipy generovat v terahertzové doméně.
„S mým Cornellovým poradcem Ehsanem Afsharim jsme experimentovali s různými typy křemíkových čipů a inovovali jsme mnoho matematických a fyzikálních ‚hacků‘, aby mohly běžet na velmi vysokých frekvencích,“ říká.
Jak se žetony zmenšovaly a zrychlovaly, Han je posunul na jejich limity.
Zpřístupnění terahertzů
Han přinesl tohoto inovativního ducha na MIT, když v roce 2014 nastoupil na fakultu EECS jako odborný asistent. Stále posouval výkonnostní limity křemíkových čipů, nyní se zaměřením na praktické aplikace.
„Naším cílem není pouze pracovat na elektronice, ale prozkoumat aplikace, které tato elektronika umožňuje, a demonstrovat proveditelnost těchto aplikací. Jedním zvláště důležitým aspektem mého výzkumu je, že se nechceme pouze zabývat terahertzovým spektrem, ale chceme ho zpřístupnit. Nechceme, aby se to dělo jen v laboratořích, ale aby to používali všichni. Takže potřebujete mít velmi levné a velmi spolehlivé komponenty, abyste mohli poskytovat tyto druhy schopností,“ říká.
Han studuje využití terahertzového pásma pro rychlý přenos velkých objemů dat, který by mohl posunout bezdrátová zařízení za hranice 5G. Terahertzové pásmo by mohlo být užitečné i pro kabelovou komunikaci. Han nedávno předvedl použití ultratenkých kabelů pro přenos dat mezi dvěma body rychlostí 100 gigabitů za sekundu.
Terahertzové vlny mají také jedinečné vlastnosti nad rámec jejich aplikací v komunikačních zařízeních. Vlny způsobují, že různé molekuly rotují jedinečnou rychlostí, takže vědci mohou pomocí terahertzových zařízení odhalit složení látky.
„Ve skutečnosti dokážeme vyrobit levné křemíkové čipy, které dokážou ‚cítit‘ plyn. Vytvořili jsme spektrometr, který dokáže současně identifikovat velké množství molekul plynu s velmi nízkým počtem falešných poplachů a vysokou citlivostí. To je něco, v čem druhé spektrum není dobré,“ říká.
Hanův tým čerpal z této práce a vynalezl molekulární hodiny, které mění rychlost molekulární rotace na vysoce stabilní elektrický časovací signál pro navigační, komunikační a snímací systémy. Přestože funguje podobně jako atomové hodiny, má tento křemíkový čip jednodušší strukturu a výrazně sníženou cenu a velikost.
Provoz ve značně neprozkoumaných oblastech činí tuto práci obzvláště náročnou, říká Han. Navzdory desetiletím pokroku není polovodičová elektronika stále dostatečně rychlá, takže Han a jeho studenti musí neustále inovovat, aby dosáhli úrovně účinnosti požadované pro terahertzová zařízení.
Práce také vyžaduje interdisciplinární přístup. Spolupráce s kolegy v jiných oblastech, jako je chemie a fyzika, umožňuje Hanovi prozkoumat, jak může tato technologie vést k užitečným novým aplikacím.
Han je rád, že je na MIT, kde se studenti nebojí řešit zdánlivě neřešitelné problémy a může spolupracovat s kolegy, kteří provádějí neuvěřitelný výzkum ve svých oblastech.
„Každý den čelíme novým problémům a přemýšlíme o nápadech, které ostatní lidé, dokonce i lidé pracující v této oblasti, mohou považovat za superbláznivé. A tento obor je právě v plenkách. Objevuje se mnoho nových materiálů a součástí a stále se objevují nové potřeby a potenciální aplikace. To je jen začátek. Budou před námi velké příležitosti,“ říká.
