La investigación de Ruonan Han está aumentando la velocidad de los circuitos microelectrónicos para habilitar nuevas aplicaciones en comunicaciones, detección y seguridad.
Han, un profesor asociado que recientemente obtuvo una titularidad en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación del MIT, se enfoca en producir semiconductores que funcionan de manera eficiente a frecuencias muy altas en un esfuerzo por cerrar lo que se conoce como la "brecha de terahercios".
La región de terahercios del espectro electromagnético, que se encuentra entre las microondas y la luz infrarroja, ha eludido en gran medida a los investigadores porque los dispositivos electrónicos convencionales son demasiado lentos para manipular las ondas de terahercios.
“Tradicionalmente, los terahercios han sido un territorio inexplorado para los investigadores simplemente porque, en cuanto a la frecuencia, es demasiado alta para la gente de electrónica y demasiado baja para la gente de fotónica”, dice. “Tenemos muchas limitaciones en los materiales y las velocidades de los dispositivos que pueden alcanzar esas frecuencias, pero una vez que llegas allí, suceden muchas cosas increíbles”.
Por ejemplo, las ondas de frecuencia de terahercios pueden moverse a través de superficies sólidas y generar imágenes muy precisas y de alta resolución de lo que hay dentro, dice Han.
Las ondas de radiofrecuencia (RF) también pueden viajar a través de las superficies; esa es la razón por la que su enrutador Wi-Fi puede estar en una habitación diferente a la de su computadora. Pero las ondas de terahercios son mucho más pequeñas que las ondas de radio, por lo que los dispositivos que las transmiten y reciben también pueden ser más pequeños.
El equipo de Han, junto con su colaboradora Anantha Chandrakasan, decana de la Escuela de Ingeniería y profesora Vannevar Bush de Ingeniería Eléctrica e Informática, demostró recientemente una etiqueta de identificación de frecuencia de terahercios (TFID) que tenía apenas 1 milímetro cuadrado de tamaño.
“No es necesario que tenga antenas externas, por lo que es esencialmente solo una pieza de silicio que es súper económica, súper pequeña y aún puede ofrecer las funciones que puede realizar una etiqueta RFID normal. Debido a que es tan pequeño, ahora puede etiquetar prácticamente cualquier producto que desee y realizar un seguimiento de la información logística, como el historial de fabricación, etc. Antes no podíamos hacer esto, pero ahora se convierte en una posibilidad”, dice.
Sintonizando
Una simple radio inspiró a Han a dedicarse a la ingeniería.
Cuando era niño en Mongolia Interior, una provincia que se extiende a lo largo de la frontera norte de China, estudiaba detenidamente libros llenos de esquemas de circuitos y consejos prácticos para hacer placas de circuitos impresos. El estudiante de primaria luego aprendió por sí mismo a construir una radio.
"No podía invertir mucho en esos componentes electrónicos ni pasar demasiado tiempo jugando con ellos, pero ahí fue donde se plantó la semilla", dice. “No sabía todos los detalles de cómo funcionaba, pero cuando lo encendí y vi que todos los componentes funcionaban juntos, fue realmente asombroso”.
Han estudió microelectrónica en la Universidad de Fudan en Shanghái y se centró en la física de semiconductores, el diseño de circuitos y la microfabricación.
Los rápidos avances de las empresas tecnológicas de Silicon Valley inspiraron a Han a inscribirse en una escuela de posgrado de EE. UU. Mientras obtenía su maestría en la Universidad de Florida, trabajó en el laboratorio de Kenneth O, un pionero de los circuitos integrados de terahercios que ahora impulsan la investigación de Han.
"En aquel entonces, se consideraba que los terahercios eran 'demasiado altos' para los chips de silicio, por lo que mucha gente pensó que era una idea loca. Pero no yo. Me sentí muy afortunado de poder trabajar con él”, dice Han.
Continuó esta investigación como estudiante de doctorado en la Universidad de Cornell, donde perfeccionó técnicas innovadoras para aumentar la potencia que pueden generar los chips de silicio en el dominio de los terahercios.
"Con mi asesor de Cornell, Ehsan Afshari, experimentamos con diferentes tipos de chips de silicio e innovamos muchos 'hacks' matemáticos y físicos para hacerlos funcionar a frecuencias muy altas", dice.
A medida que los chips se hacían más pequeños y rápidos, Han los llevó al límite.
Haciendo accesibles los terahercios
Han trajo ese espíritu innovador al MIT cuando se unió a la facultad de EECS como profesor asistente en 2014. Todavía estaba superando los límites de rendimiento de los chips de silicio, ahora con la vista puesta en las aplicaciones prácticas.
“Nuestro objetivo no es solo trabajar en la electrónica, sino explorar las aplicaciones que esta electrónica puede permitir y demostrar la viabilidad de esas aplicaciones. Un aspecto especialmente importante de mi investigación es que no solo queremos tratar con el espectro de terahercios, queremos hacerlo accesible. No queremos que esto suceda solo dentro de los laboratorios, sino que todos lo usen. Por lo tanto, debe tener componentes muy confiables y de muy bajo costo para poder brindar ese tipo de capacidades”, dice.
Han está estudiando el uso de la banda de terahercios para una transferencia de datos rápida y de gran volumen que podría llevar a los dispositivos inalámbricos más allá de 5G. La banda de terahercios también podría ser útil para las comunicaciones por cable. Han demostró recientemente el uso de cables ultrafinos para transmitir datos entre dos puntos a una velocidad de 100 gigabits por segundo.
Las ondas de terahercios también tienen propiedades únicas más allá de sus aplicaciones en dispositivos de comunicaciones. Las ondas hacen que diferentes moléculas giren a velocidades únicas, por lo que los investigadores pueden usar dispositivos de terahercios para revelar la composición de una sustancia.
"De hecho, podemos fabricar chips de silicio de bajo costo que pueden "olfatear" un gas. Hemos creado un espectrómetro que puede identificar simultáneamente una amplia gama de moléculas de gas con muy pocas falsas alarmas y alta sensibilidad. Esto es algo en lo que el otro espectro no es bueno”, dice.
El equipo de Han se basó en este trabajo para inventar un reloj molecular que convierte la velocidad de rotación molecular en una señal de sincronización eléctrica altamente estable para los sistemas de navegación, comunicación y detección. Aunque funciona como un reloj atómico, este chip de silicio tiene una estructura más simple y un costo y tamaño muy reducidos.
Operar en áreas en gran parte inexploradas hace que este trabajo sea especialmente desafiante, dice Han. A pesar de décadas de avances, la electrónica de semiconductores aún no es lo suficientemente rápida, por lo que Han y sus estudiantes deben innovar constantemente para alcanzar el nivel de eficiencia requerido para los dispositivos de terahercios.
El trabajo también requiere una mentalidad interdisciplinaria. La colaboración con colegas en otros dominios, como la química y la física, le permite a Han explorar cómo la tecnología puede conducir a nuevas aplicaciones útiles.
Han está contento de estar en el MIT, donde los estudiantes no tienen miedo de enfrentarse a problemas aparentemente intratables y él puede colaborar con colegas que están haciendo una investigación increíble en sus dominios.
“Todos los días nos enfrentamos a nuevos problemas y pensamos en ideas que otras personas, incluso las personas que trabajan en este campo, pueden considerar súper locas. Y este campo está en su infancia en este momento. Hay una gran cantidad de nuevos materiales y componentes emergentes, y siguen surgiendo nuevas necesidades y aplicaciones potenciales. Este es solo el comienzo. Habrá oportunidades muy grandes por delante”, dice.
