Phát triển thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo bằng cách khai thác sóng Terahertz

Ruonan Han tìm cách đẩy giới hạn của các mạch điện tử.

Nghiên cứu của Ruonan Han đang thúc đẩy tốc độ của các mạch vi điện tử để cho phép các ứng dụng mới trong truyền thông, cảm biến và bảo mật.

Han, một phó giáo sư gần đây đã nhận được công việc tại Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính của MIT , tập trung vào sản xuất chất bán dẫn hoạt động hiệu quả ở tần số rất cao trong nỗ lực thu hẹp khoảng cách được gọi là “khoảng cách terahertz”.

Vùng terahertz của quang phổ điện từ, nằm giữa vi sóng và ánh sáng hồng ngoại, phần lớn đã bị các nhà nghiên cứu lẩn tránh vì các thiết bị điện tử thông thường quá chậm để điều khiển sóng terahertz.

Ông nói: “Theo truyền thống, terahertz là lãnh thổ chưa được khám phá đối với các nhà nghiên cứu đơn giản bởi vì, về mặt tần số, nó quá cao đối với người điện tử và quá thấp đối với người quang tử. “Chúng tôi có rất nhiều hạn chế về vật liệu và tốc độ của các thiết bị có thể đạt tới những tần số đó, nhưng một khi bạn đến đó, rất nhiều điều đáng kinh ngạc sẽ xảy ra.”

Ví dụ, sóng tần số terahertz có thể di chuyển qua các bề mặt rắn và tạo ra hình ảnh rất chính xác, độ phân giải cao về những gì bên trong, Han nói.

Sóng tần số vô tuyến (RF) cũng có thể truyền qua các bề mặt – đó là lý do tại sao bộ định tuyến Wi-Fi của bạn có thể ở trong phòng khác với máy tính của bạn. Nhưng sóng terahertz nhỏ hơn nhiều so với sóng vô tuyến, vì vậy các thiết bị truyền và nhận chúng cũng có thể nhỏ hơn.

Nhóm của Han, cùng với cộng sự của ông Anantha Chandrakasan, hiệu trưởng Trường Kỹ thuật và Giáo sư Khoa học Máy tính và Kỹ thuật Điện Vannevar Bush, gần đây đã chứng minh một thẻ nhận dạng tần số terahertz (TFID) có kích thước chỉ 1 mm vuông.

“Nó không cần phải có bất kỳ ăng-ten bên ngoài nào, vì vậy về cơ bản nó chỉ là một miếng silicon siêu rẻ, siêu nhỏ và vẫn có thể cung cấp các chức năng mà thẻ RFID thông thường có thể làm được. Bởi vì nó quá nhỏ, giờ đây bạn có thể gắn thẻ khá nhiều sản phẩm bạn muốn và theo dõi thông tin hậu cần như lịch sử sản xuất, v.v. Trước đây chúng tôi không thể làm điều này, nhưng giờ đây nó đã trở thành một khả năng, ”anh nói.

Điều chỉnh trong

Một chiếc radio đơn giản đã thôi thúc Han theo đuổi ngành kỹ thuật.

Khi còn là một đứa trẻ ở Nội Mông, một tỉnh trải dài dọc theo biên giới phía bắc của Trung Quốc, anh đã nghiền ngẫm những cuốn sách chứa đầy sơ đồ mạch và các mẹo tự làm để tạo bảng mạch in. Cậu học sinh tiểu học sau đó đã tự học cách chế tạo một chiếc đài.

Anh nói: “Tôi không thể đầu tư nhiều vào những linh kiện điện tử đó hoặc mất quá nhiều thời gian để mày mò, nhưng đó chính là nơi gieo mầm. “Tôi không biết tất cả các chi tiết về cách nó hoạt động, nhưng khi tôi bật nó lên và thấy tất cả các thành phần hoạt động cùng nhau, điều đó thực sự tuyệt vời”.

Han theo học ngành vi điện tử tại Đại học Phúc Đán ở Thượng Hải, tập trung vào vật lý bán dẫn, thiết kế mạch và chế tạo vi mô.

Những tiến bộ nhanh chóng từ các công ty công nghệ ở Thung lũng Silicon đã thôi thúc Han đăng ký vào một trường cao học ở Mỹ. Trong khi lấy bằng thạc sĩ tại Đại học Florida , ông làm việc trong phòng thí nghiệm của Kenneth O, nhà tiên phong về mạch tích hợp terahertz hiện đang thúc đẩy nghiên cứu của Han.

“Hồi đó, terahertz được coi là ‘quá cao’ đối với chip silicon, vì vậy nhiều người cho rằng đó là một ý tưởng điên rồ. Nhưng không phải tôi. Tôi cảm thấy thực sự may mắn khi được làm việc với anh ấy, ”Han nói.

Ông tiếp tục nghiên cứu này khi còn là nghiên cứu sinh tại Đại học Cornell, nơi ông đã mài dũa các kỹ thuật sáng tạo để siêu nạp năng lượng mà chip silicon có thể tạo ra trong miền terahertz.

Ông nói: “Với cố vấn Cornell của tôi, Ehsan Afshari, chúng tôi đã thử nghiệm với các loại chip silicon khác nhau và cải tiến nhiều phương pháp ‘hack’ toán học và vật lý để làm cho chúng chạy ở tần số rất cao.

Khi những con chip ngày càng nhỏ và nhanh hơn, Han đã đẩy chúng đến giới hạn của chúng.

Làm cho terahertz có thể truy cập được

Han đã mang tinh thần đổi mới đó đến với MIT khi anh gia nhập khoa EECS với tư cách là trợ lý giáo sư vào năm 2014. Anh vẫn đang thúc đẩy các giới hạn hiệu suất của chip silicon, giờ đã chú ý đến các ứng dụng thực tế.

“Mục tiêu của chúng tôi không chỉ là làm việc trên thiết bị điện tử, mà còn khám phá các ứng dụng mà các thiết bị điện tử này có thể kích hoạt và chứng minh tính khả thi của các ứng dụng đó. Một khía cạnh đặc biệt quan trọng trong nghiên cứu của tôi là chúng tôi không chỉ muốn xử lý phổ terahertz, chúng tôi muốn làm cho nó có thể truy cập được. Chúng tôi không muốn điều này chỉ xảy ra bên trong phòng thí nghiệm mà phải được mọi người sử dụng. Vì vậy, bạn cần phải có các thành phần chi phí thấp, rất đáng tin cậy để có thể mang lại những khả năng đó, ”ông nói.

Han đang nghiên cứu việc sử dụng băng tần terahertz để truyền dữ liệu nhanh chóng, khối lượng lớn, có thể đẩy các thiết bị không dây vượt ra ngoài 5G. Băng tần terahertz cũng có thể hữu ích cho truyền thông có dây. Han gần đây đã trình diễn việc sử dụng cáp siêu mỏng để truyền dữ liệu giữa hai điểm với tốc độ 100 gigabit / giây.

Sóng Terahertz cũng có những đặc tính độc đáo ngoài các ứng dụng của chúng trong các thiết bị thông tin liên lạc. Các sóng làm cho các phân tử khác nhau quay với tốc độ độc đáo, vì vậy các nhà nghiên cứu có thể sử dụng thiết bị terahertz để tiết lộ thành phần của một chất.

“Chúng tôi thực sự có thể tạo ra những con chip silicon giá rẻ có thể ‘ngửi’ được khí. Chúng tôi đã tạo ra một quang phổ kế có thể đồng thời xác định một loạt các phân tử khí với mức báo động sai rất thấp và độ nhạy cao. Đây là điều mà các phổ khác không giỏi, ”ông nói.

Nhóm của Han đã dựa trên công trình nghiên cứu này để phát minh rađồng hồ phân tử biến tốc độ quay của phân tử thành tín hiệu thời gian điện ổn định cao cho các hệ thống điều hướng, liên lạc và cảm biến. Mặc dù có chức năng giống như một chiếc đồng hồ nguyên tử, nhưng con chip silicon này có cấu trúc đơn giản hơn và chi phí cũng như kích thước giảm đi đáng kể.

Han nói, hoạt động trong những lĩnh vực chưa được khám phá rộng rãi khiến công việc này trở nên đặc biệt khó khăn. Bất chấp những tiến bộ trong nhiều thập kỷ, thiết bị điện tử bán dẫn vẫn chưa đủ nhanh, vì vậy Han và các sinh viên của mình phải liên tục đổi mới để đạt được mức hiệu quả cần thiết cho các thiết bị terahertz.

Công việc cũng đòi hỏi một tư duy liên ngành. Cộng tác với các đồng nghiệp trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như hóa học và vật lý, cho phép Han khám phá cách công nghệ có thể dẫn đến các ứng dụng mới hữu ích.

Han rất vui vì anh ấy ở MIT, nơi các sinh viên không ngại đối mặt với những vấn đề có vẻ khó khăn và anh ấy có thể cộng tác với các đồng nghiệp đang thực hiện những nghiên cứu đáng kinh ngạc trong lĩnh vực của họ.

“Mỗi ngày, chúng tôi đều phải đối mặt với những vấn đề mới và nghĩ về những ý tưởng mà người khác, thậm chí cả những người làm việc trong lĩnh vực này, có thể coi là siêu điên rồ. Và lĩnh vực này đang ở giai đoạn sơ khai ngay bây giờ. Có rất nhiều vật liệu và thành phần mới xuất hiện, và các nhu cầu mới cũng như các ứng dụng tiềm năng liên tục xuất hiện. Điều này chỉ là khởi đầu. Sẽ có những cơ hội rất lớn đang ở phía trước chúng ta, ”anh nói.

Theo Scitechdaily