A pesquisa de Ruonan Han está aumentando a velocidade dos circuitos microeletrônicos para permitir novas aplicações em comunicações, detecção e segurança.
Han, um professor associado que recentemente ganhou cargo no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT, concentra-se na produção de semicondutores que operam com eficiência em frequências muito altas em um esforço para preencher o que é conhecido como "lacuna de terahertz".
A região terahertz do espectro eletromagnético, que fica entre as micro-ondas e a luz infravermelha, tem iludido os pesquisadores porque os dispositivos eletrônicos convencionais são muito lentos para manipular as ondas terahertz.
“Tradicionalmente, o terahertz tem sido um território inexplorado para os pesquisadores simplesmente porque, em termos de frequência, é muito alto para o pessoal da eletrônica e muito baixo para o pessoal da fotônica”, diz ele. “Temos muitas limitações nos materiais e velocidades dos dispositivos que podem atingir essas frequências, mas quando você chega lá, muitas coisas incríveis acontecem.”
Por exemplo, ondas de frequência terahertz podem se mover através de superfícies sólidas e gerar imagens muito precisas e de alta resolução do que está dentro, diz Han.
As ondas de radiofrequência (RF) também podem passar por superfícies — é por isso que seu roteador Wi-Fi pode estar em uma sala diferente do seu computador. Mas as ondas terahertz são muito menores que as ondas de rádio, então os dispositivos que as transmitem e as recebem também podem ser menores.
A equipe de Han, junto com seu colaborador Anantha Chandrakasan, reitor da Escola de Engenharia e professor de Vannevar Bush de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação, demonstrou recentemente uma etiqueta de identificação de frequência terahertz (TFID) com apenas 1 milímetro quadrado de tamanho.
“Ele não precisa ter nenhuma antena externa, então é essencialmente apenas um pedaço de silício que é superbarato, superpequeno e ainda pode oferecer as funções que uma etiqueta RFID normal pode fazer. Por ser tão pequeno, agora você pode etiquetar praticamente qualquer produto que quiser e rastrear informações de logística, como histórico de fabricação etc. Não podíamos fazer isso antes, mas agora é uma possibilidade ”, diz ele.
Sintonizando
Um simples rádio inspirou Han a seguir a engenharia.
Quando criança, na Mongólia Interior, uma província que se estende ao longo da fronteira norte da China, ele se debruçou sobre livros cheios de esquemas de circuitos e dicas do tipo "faça você mesmo" para fazer placas de circuito impresso. O aluno da escola primária aprendeu então sozinho a construir um rádio.
“Eu não podia investir muito nesses componentes eletrônicos ou gastar muito tempo consertando-os, mas foi aí que a semente foi plantada”, diz ele. “Não sabia todos os detalhes de como funcionava, mas quando liguei e vi todos os componentes trabalhando juntos foi realmente incrível.”
Han estudou microeletrônica na Fudan University em Xangai, com foco em física de semicondutores, design de circuitos e microfabricação.
Os rápidos avanços das empresas de tecnologia do Vale do Silício inspiraram Han a se matricular em uma escola de pós-graduação nos Estados Unidos. Enquanto fazia seu mestrado na Universidade da Flórida, ele trabalhou no laboratório de Kenneth O, um pioneiro dos circuitos integrados terahertz que agora impulsionam a pesquisa de Han.
“Naquela época, terahertz era considerado 'muito alto' para chips de silício, então muitas pessoas acharam que era uma ideia maluca. Mas eu não. Eu me senti muito feliz por poder trabalhar com ele”, diz Han.
Ele continuou esta pesquisa como estudante de doutorado na Cornell University, onde aperfeiçoou técnicas inovadoras para sobrecarregar o poder que os chips de silício podem gerar no domínio terahertz.
"Com meu orientador da Cornell, Ehsan Afshari, experimentamos diferentes tipos de chips de silício e inovamos em muitos 'hacks' de matemática e física para fazê-los funcionar em frequências muito altas", diz ele.
À medida que os chips se tornavam menores e mais rápidos, Han os levava ao limite.
Tornando o terahertz acessível
Han trouxe esse espírito inovador para o MIT quando ingressou no corpo docente da EECS como professor assistente em 2014. Ele ainda estava ultrapassando os limites de desempenho dos chips de silício, agora de olho nas aplicações práticas.
“Nosso objetivo não é apenas trabalhar na eletrônica, mas explorar as aplicações que essa eletrônica pode possibilitar e demonstrar a viabilidade dessas aplicações. Um aspecto especialmente importante da minha pesquisa é que não queremos apenas lidar com o espectro terahertz, queremos torná-lo acessível. Não queremos que isso aconteça apenas dentro dos laboratórios, mas que seja usado por todos. Portanto, você precisa ter componentes muito confiáveis e de baixo custo para poder fornecer esses tipos de recursos”, diz ele.
Han está estudando o uso da banda terahertz para transferência rápida e de alto volume de dados que pode levar os dispositivos sem fio além do 5G. A banda terahertz também pode ser útil para comunicações com fio. Han demonstrou recentemente o uso de cabos ultrafinos para transmitir dados entre dois pontos a uma velocidade de 100 gigabits por segundo.
As ondas Terahertz também possuem propriedades únicas além de suas aplicações em dispositivos de comunicação. As ondas fazem com que moléculas diferentes girem em velocidades únicas, então os pesquisadores podem usar dispositivos terahertz para revelar a composição de uma substância.
“Na verdade, podemos fazer chips de silício de baixo custo que podem 'cheirar' um gás. Criamos um espectrômetro que pode identificar simultaneamente uma grande variedade de moléculas de gás com alarmes falsos muito baixos e alta sensibilidade. Isso é algo em que o outro espectro não é bom”, diz ele.
A equipe de Han se baseou nesse trabalho para inventar um relógio molecular que transforma a taxa de rotação molecular em um sinal de tempo elétrico altamente estável para sistemas de navegação, comunicação e detecção. Embora funcione como um relógio atômico, esse chip de silício tem uma estrutura mais simples e custo e tamanho bastante reduzidos.
Operar em áreas amplamente inexploradas torna esse trabalho especialmente desafiador, diz Han. Apesar de décadas de avanços, a eletrônica semicondutora ainda não é rápida o suficiente, então Han e seus alunos devem inovar constantemente para atingir o nível de eficiência exigido pelos dispositivos terahertz.
O trabalho também requer uma mentalidade interdisciplinar. Colaborar com colegas em outros domínios, como química e física, permite que Han explore como a tecnologia pode levar a novos aplicativos úteis.
Han está feliz por estar no MIT, onde os alunos não têm medo de enfrentar problemas aparentemente intratáveis e ele pode colaborar com colegas que estão fazendo pesquisas incríveis em seus domínios.
“Todos os dias enfrentamos novos problemas e pensamos em ideias que outras pessoas, mesmo as que trabalham nesta área, podem considerar superloucas. E este campo está em sua infância agora. Há muitos novos materiais e componentes emergentes, e novas necessidades e aplicações potenciais continuam surgindo. Isto é apenas o começo. Haverá oportunidades muito grandes à nossa frente ”, diz ele.
