Ruonan Hanin tutkimus nostaa mikroelektronisten piirien nopeuksia mahdollistaakseen uusia sovelluksia viestinnässä, tunnistuksessa ja turvallisuudessa.
Han, apulaisprofessori, joka on äskettäin työskennellyt MIT:n sähkötekniikan ja tietojenkäsittelytieteen laitoksella, keskittyy valmistamaan puolijohteita, jotka toimivat tehokkaasti erittäin korkeilla taajuuksilla pyrkiessään kuromaan umpeen niin sanotun "terahertsiraon".
Sähkömagneettisen spektrin terahertsialue, joka sijaitsee mikroaaltojen ja infrapunavalon välissä, on suurelta osin jäänyt tutkijoiden ulkopuolelle, koska perinteiset elektroniset laitteet ovat liian hitaita manipuloimaan terahertsiaaltoja.
"Perinteisesti terahertsit ovat olleet tutkimattomia alueita yksinkertaisesti siksi, että taajuuden suhteen se on liian korkea elektroniikka-ihmisille ja liian matala fotoniikka-ihmisille", hän sanoo. "Meillä on paljon rajoituksia niiden laitteiden materiaaleissa ja nopeuksissa, jotka voivat saavuttaa nämä taajuudet, mutta kun pääset sinne, tapahtuu paljon hämmästyttäviä asioita."
Esimerkiksi terahertsitaajuiset aallot voivat liikkua kiinteiden pintojen läpi ja luoda erittäin tarkkoja, korkearesoluutioisia kuvia siitä, mitä sisällä on, Han sanoo.
Radiotaajuusaallot (RF) voivat kulkea myös pintojen läpi – tästä syystä Wi-Fi-reitittimesi voi olla eri huoneessa kuin tietokoneesi. Mutta terahertsiaallot ovat paljon pienempiä kuin radioaallot, joten niitä lähettävät ja vastaanottavat laitteet voivat myös olla pienempiä.
Hanin tiimi yhdessä hänen yhteistyökumppaninsa Anantha Chandrakasanin kanssa, joka on tekniikan korkeakoulun dekaani ja Vannevar Bushin sähkötekniikan ja tietojenkäsittelytieteen professori, esitteli äskettäin terahertsitaajuustunnistusta (TFID), joka oli kooltaan vain 1 neliömillimetri.
"Sen ei tarvitse olla ulkoisia antenneja, joten se on pohjimmiltaan vain pala piitä, joka on erittäin halpa, superpieni ja joka silti pystyy toimittamaan normaalin RFID-tunnisteen toiminnot. Koska se on niin pieni, voit nyt merkitä melkein minkä tahansa tuotteen ja seurata logistiikkatietoja, kuten valmistushistoriaa jne. Emme voineet tehdä tätä aiemmin, mutta nyt se on mahdollista”, hän sanoo.
Viritys
Yksinkertainen radio inspiroi Hania jatkamaan suunnittelua.
Kiinan pohjoisrajaa pitkin ulottuvassa maakunnassa, Sisä-Mongoliassa, lapsena hän selailee kirjoja, jotka oli täynnä piirikaavioita ja tee-se-itse-vinkkejä painettujen piirilevyjen valmistukseen. Sen jälkeen ala-asteen oppilas opetti itse rakentamaan radiota.
"En voinut investoida paljon noihin elektronisiin komponentteihin tai viettää liikaa aikaa niiden parissa, mutta siellä siemen kylvettiin", hän sanoo. "En tiennyt kaikkia yksityiskohtia sen toiminnasta, mutta kun laitoin sen päälle ja näin kaikkien komponenttien toimivan yhdessä, se oli todella hämmästyttävää."
Han opiskeli mikroelektroniikkaa Fudanin yliopistossa Shanghaissa keskittyen puolijohdefysiikkaan, piirisuunnitteluun ja mikrovalmistukseen.
Pilaakson teknologiayritysten nopea kehitys inspiroi Hania ilmoittautumaan yhdysvaltalaiseen tutkijakouluun. Samalla kun hän suoritti maisterin tutkinnon Floridan yliopistossa, hän työskenteli Kenneth O:n laboratoriossa, joka oli Hanin tutkimusta nykyään ohjaavien integroitujen terahertsipiirien pioneeri.
"Tuohon aikaan terahertsejä pidettiin "liian korkeana" piisiruille, joten monet pitivät sitä hulluna ideana. Mutta en minä. Olin todella onnekas saadessani työskennellä hänen kanssaan”, Han sanoo.
Hän jatkoi tätä tutkimusta tohtoriopiskelijana Cornellin yliopistossa, jossa hän hioi innovatiivisia tekniikoita lisätäkseen tehoa, jonka piisirut voivat tuottaa terahertsialueella.
"Kokeilimme Cornell-neuvojani Ehsan Afsharin kanssa erityyppisiä piisiruja ja innovoimme monia matematiikan ja fysiikan "hakkereita", jotta ne toimisivat erittäin korkeilla taajuuksilla", hän sanoo.
Kun pelimerkit muuttuivat pienemmiksi ja nopeammiksi, Han työnsi ne rajoihinsa.
Terahertsien käyttökelpoisuus
Han toi tämän innovatiivisen hengen MIT:ään, kun hän liittyi EECS:n tiedekuntaan apulaisprofessorina vuonna 2014. Hän työskenteli edelleen piisirujen suorituskyvyn rajoja, nyt käytännön sovelluksia silmällä pitäen.
"Tavoitteemme ei ole vain työskennellä elektroniikan parissa, vaan tutkia sovelluksia, joita tämä elektroniikka voi mahdollistaa, ja osoittaa näiden sovellusten toteutettavuus. Yksi erityisen tärkeä näkökohta tutkimuksessani on se, että emme halua vain käsitellä terahertsispektriä, vaan haluamme tehdä siitä saatavuuden. Emme halua tämän tapahtuvan vain laboratorioissa, vaan kaikkien käytettävän. Tarvitset siis erittäin edullisia, erittäin luotettavia komponentteja voidaksesi tarjota tällaisia ominaisuuksia”, hän sanoo.
Han tutkii terahertsikaistan käyttöä nopeaan ja suureen tiedonsiirtoon, joka voisi työntää langattomat laitteet 5G:tä pidemmälle. Terahertsitaajuus voisi olla hyödyllinen myös langallisessa viestinnässä. Han esitteli äskettäin erittäin ohuiden kaapeleiden käyttöä tiedon siirtämiseen kahden pisteen välillä nopeudella 100 gigabittiä sekunnissa.
Terahertsiaaloilla on myös ainutlaatuisia ominaisuuksia viestintälaitteissa käytettävien sovellusten lisäksi. Aallot saavat eri molekyylit pyörimään ainutlaatuisilla nopeuksilla, joten tutkijat voivat käyttää terahertsilaitteita paljastamaan aineen koostumuksen.
"Voimme itse asiassa tehdä edullisia piisiruja, jotka voivat "haistaa" kaasulle. Olemme luoneet spektrometrin, joka voi samanaikaisesti tunnistaa suuren joukon kaasumolekyylejä erittäin alhaisilla väärillä hälytyksillä ja korkealla herkkyydellä. Tämä on asia, jossa toinen spektri ei ole hyvä”, hän sanoo.
Hanin tiimi hyödynsi tätä työtä keksiessään molekyylikellon, joka muuttaa molekyylin pyörimisnopeuden erittäin vakaaksi sähköiseksi ajoitussignaaliksi navigointi-, viestintä- ja tunnistusjärjestelmiä varten. Vaikka se toimii paljon kuin atomikello, tällä piisirulla on yksinkertaisempi rakenne ja huomattavasti pienemmät kustannukset ja koko.
Toiminta suurelta osin tutkimattomilla alueilla tekee tästä työstä erityisen haastavaa, Han sanoo. Vuosikymmenten edistymisestä huolimatta puolijohdeelektroniikka ei ole vieläkään tarpeeksi nopea, joten Hanin ja hänen oppilaidensa on jatkuvasti innovoitava saavuttaakseen terahertsilaitteilta vaaditun tehokkuustason.
Työ vaatii myös tieteidenvälistä ajattelutapaa. Yhteistyö muiden alojen, kuten kemian ja fysiikan, kollegoiden kanssa antaa Hanille mahdollisuuden tutkia, kuinka teknologia voi johtaa hyödyllisiin uusiin sovelluksiin.
Han on iloinen, että hän on MIT:ssä, jossa opiskelijat eivät pelkää ottaa vastaan näennäisesti ratkaisemattomia ongelmia ja hän voi tehdä yhteistyötä kollegoiden kanssa, jotka tekevät uskomatonta tutkimusta alallaan.
"Joka päivä kohtaamme uusia ongelmia ja pohdimme ideoita, joita muut ihmiset, jopa tällä alalla työskentelevät, voivat pitää superhulleina. Ja tämä ala on juuri nyt lapsenkengissään. Uusia materiaaleja ja komponentteja syntyy paljon, ja uusia tarpeita ja mahdollisia sovelluksia ilmaantuu jatkuvasti. Tämä on vasta alkua. Edessämme on suuria mahdollisuuksia, hän sanoo.
