Les recherches de Ruonan Han augmentent la vitesse des circuits microélectroniques pour permettre de nouvelles applications dans les domaines des communications, de la détection et de la sécurité.
Han, un professeur associé qui a récemment obtenu un poste permanent au Département de génie électrique et d'informatique du MIT, se concentre sur la production de semi-conducteurs qui fonctionnent efficacement à des fréquences très élevées dans le but de combler ce que l'on appelle "l'écart térahertz".
La région térahertz du spectre électromagnétique, qui se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge, a largement échappé aux chercheurs car les appareils électroniques conventionnels sont trop lents pour manipuler les ondes térahertz.
"Traditionnellement, le térahertz est un territoire inexploré pour les chercheurs simplement parce que, en termes de fréquence, il est trop élevé pour les électroniciens et trop faible pour les photoniques", dit-il. "Nous avons beaucoup de limitations dans les matériaux et les vitesses des appareils qui peuvent atteindre ces fréquences, mais une fois que vous y arrivez, beaucoup de choses incroyables se produisent."
Par exemple, les ondes de fréquence térahertz peuvent se déplacer à travers des surfaces solides et générer des images très précises et à haute résolution de ce qu'il y a à l'intérieur, explique Han.
Les ondes de radiofréquence (RF) peuvent également traverser les surfaces. C'est la raison pour laquelle votre routeur Wi-Fi peut se trouver dans une pièce différente de celle de votre ordinateur. Mais les ondes térahertz sont beaucoup plus petites que les ondes radio, de sorte que les appareils qui les transmettent et les reçoivent peuvent également être plus petits.
L'équipe de Han, ainsi que sa collaboratrice Anantha Chandrakasan, doyenne de la faculté d'ingénierie et professeure Vannevar Bush de génie électrique et d'informatique, ont récemment fait la démonstration d'une étiquette d'identification de fréquence térahertz (TFID) d'à peine 1 m².
"Il n'a pas besoin d'antennes externes, il s'agit donc essentiellement d'un morceau de silicium qui est super bon marché, super petit et qui peut toujours fournir les fonctions qu'une étiquette RFID normale peut faire. Parce qu'il est si petit, vous pouvez désormais étiqueter à peu près n'importe quel produit que vous voulez et suivre les informations logistiques telles que l'historique de la fabrication, etc. Nous ne pouvions pas le faire auparavant, mais maintenant cela devient une possibilité », dit-il.
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Une simple radio a inspiré Han à se lancer dans l'ingénierie.
Enfant en Mongolie intérieure, une province qui s'étend le long de la frontière nord de la Chine, il s'est penché sur des livres remplis de schémas de circuits et de conseils de bricolage pour fabriquer des circuits imprimés. L'élève de l'école primaire a alors appris tout seul à construire une radio.
"Je ne pouvais pas investir beaucoup dans ces composants électroniques ou passer trop de temps à les bricoler, mais c'est là que la graine a été plantée", dit-il. "Je ne connaissais pas tous les détails de son fonctionnement, mais quand je l'ai allumé et que j'ai vu tous les composants fonctionner ensemble, c'était vraiment incroyable."
Han a étudié la microélectronique à l'université Fudan de Shanghai, en se concentrant sur la physique des semi-conducteurs, la conception de circuits et la microfabrication.
Les progrès rapides des entreprises technologiques de la Silicon Valley ont incité Han à s'inscrire dans une école supérieure aux États-Unis. Tout en obtenant sa maîtrise à l'Université de Floride, il a travaillé dans le laboratoire de Kenneth O, un pionnier des circuits intégrés térahertz qui orientent désormais les recherches de Han.
"À l'époque, le térahertz était considéré comme "trop élevé" pour les puces en silicium, donc beaucoup de gens pensaient que c'était une idée folle. Mais pas moi. Je me suis senti vraiment chanceux de pouvoir travailler avec lui », dit Han.
Il a poursuivi ses recherches en tant que doctorant à l'université Cornell, où il a perfectionné des techniques innovantes pour suralimenter la puissance que les puces en silicium peuvent générer dans le domaine térahertz.
"Avec mon conseiller Cornell, Ehsan Afshari, nous avons expérimenté différents types de puces en silicium et innové de nombreux "hacks" mathématiques et physiques pour les faire fonctionner à des fréquences très élevées", dit-il.
Alors que les jetons devenaient plus petits et plus rapides, Han les a poussés à leurs limites.
Rendre le térahertz accessible
Han a apporté cet esprit d'innovation au MIT lorsqu'il a rejoint la faculté de l'EECS en tant que professeur adjoint en 2014. Il repoussait toujours les limites de performance des puces en silicium, maintenant avec un œil sur les applications pratiques.
"Notre objectif n'est pas seulement de travailler sur l'électronique, mais d'explorer les applications que cette électronique peut permettre, et de démontrer la faisabilité de ces applications. Un aspect particulièrement important de mes recherches est que nous ne voulons pas seulement traiter du spectre térahertz, nous voulons le rendre accessible. Nous ne voulons pas que cela se produise uniquement à l'intérieur des laboratoires, mais qu'il soit utilisé par tout le monde. Vous devez donc disposer de composants très fiables et à très faible coût pour être en mesure de fournir ce type de fonctionnalités », déclare-t-il.
Han étudie l'utilisation de la bande térahertz pour un transfert de données rapide et volumineux qui pourrait pousser les appareils sans fil au-delà de la 5G. La bande térahertz pourrait également être utile pour les communications filaires. Han a récemment démontré l'utilisation de câbles ultrafins pour transmettre des données entre deux points à une vitesse de 100 gigabits par seconde.
Les ondes térahertz ont également des propriétés uniques au-delà de leurs applications dans les appareils de communication. Les ondes font tourner différentes molécules à des vitesses uniques, de sorte que les chercheurs peuvent utiliser des appareils térahertz pour révéler la composition d'une substance.
"Nous pouvons en fait fabriquer des puces en silicium à faible coût qui peuvent "sentir" un gaz. Nous avons créé un spectromètre capable d'identifier simultanément une large gamme de molécules de gaz avec très peu de fausses alarmes et une sensibilité élevée. C'est quelque chose que l'autre spectre n'est pas bon », dit-il.
L'équipe de Han s'est appuyée sur ces travaux pour inventer une horloge moléculaire qui transforme le taux de rotation moléculaire en un signal de synchronisation électrique hautement stable pour les systèmes de navigation, de communication et de détection. Bien qu'elle fonctionne un peu comme une horloge atomique, cette puce de silicium a une structure plus simple et un coût et une taille considérablement réduits.
Opérer dans des zones largement inexplorées rend ce travail particulièrement difficile, déclare Han. Malgré des décennies d'avancées, l'électronique à semi-conducteurs n'est toujours pas assez rapide. Han et ses étudiants doivent donc constamment innover pour atteindre le niveau d'efficacité requis pour les dispositifs térahertz.
Le travail nécessite également un état d'esprit interdisciplinaire. La collaboration avec des collègues d'autres domaines, tels que la chimie et la physique, permet à Han d'explorer comment la technologie peut mener à de nouvelles applications utiles.
Han est content d'être au MIT, où les étudiants n'ont pas peur de s'attaquer à des problèmes apparemment insolubles et où il peut collaborer avec des collègues qui font des recherches incroyables dans leurs domaines.
"Chaque jour, nous sommes confrontés à de nouveaux problèmes et réfléchissons à des idées que d'autres personnes, même celles qui travaillent dans ce domaine, peuvent considérer comme super folles. Et ce domaine n'en est qu'à ses balbutiements en ce moment. Il y a beaucoup de nouveaux matériaux et composants émergents, et de nouveaux besoins et applications potentielles ne cessent d'apparaître. Ce n'est que le début. Il y aura de très grandes opportunités qui s'offrent à nous », dit-il.
