Penelitian Ruonan Han meningkatkan kecepatan sirkuit mikroelektronika untuk memungkinkan aplikasi baru dalam komunikasi, penginderaan, dan keamanan.

Han, seorang profesor yang baru-baru ini terdaftar di Fakultas Teknik Elektro dan Ilmu Komputer MIT, berfokus pada pembuatan semikonduktor yang beroperasi secara efisien pada frekuensi yang sangat tinggi untuk mengisi apa yang dikenal sebagai “celah terahertz.”

Wilayah terahertz dari spektrum elektromagnetik antara gelombang mikro dan cahaya inframerah kurang dipahami oleh para peneliti karena perangkat elektronik tradisional terlalu lambat untuk memanipulasi gelombang terahertz.

“Secara tradisional, terahertz adalah wilayah yang belum dijelajahi oleh para peneliti hanya karena terlalu tinggi untuk orang-orang elektronik dan terlalu rendah untuk orang-orang fotonik dalam hal frekuensi,” katanya. “Ada banyak batasan pada bahan dan kecepatan perangkat yang dapat mencapai frekuensi ini, tetapi ketika mereka mencapainya, banyak hal menakjubkan terjadi.”

Misalnya, gelombang pada frekuensi terahertz dapat merambat pada permukaan padat dan menghasilkan gambar beresolusi tinggi yang sangat akurat dari apa yang ada di dalamnya, kata Han.

Gelombang frekuensi radio (RF) juga dapat melewati permukaan. Itu sebabnya Anda dapat meletakkan router Wi-Fi Anda di ruangan yang terpisah dari komputer Anda. Namun, gelombang terahertz jauh lebih kecil daripada gelombang radio, sehingga perangkat yang mengirim dan menerima terahertz juga dapat dibuat lebih kecil.

Tim Han, bersama dengan kolaboratornya, Dekan Fakultas Teknik dan Profesor Vaneverbush dari Teknik Elektro dan Ilmu Komputer, Ananza Chandra Kasan, baru-baru ini mengidentifikasi frekuensi terahertz sekecil 1 milimeter persegi (berukuran 1 milimeter persegi). ditampilkan.

“Karena tidak memerlukan antena eksternal, pada dasarnya ini adalah silikon ultra-murah dan sangat kecil yang dapat memberikan fungsionalitas yang dapat dilakukan oleh tag RFID biasa. Ini sangat kecil sehingga Anda dapat menandai produk yang Anda butuhkan. sekarang dimungkinkan untuk melacak informasi logistik seperti sejarah manufaktur, yang sebelumnya tidak mungkin, tetapi sekarang dimungkinkan, “katanya.

penyetelan

Sebuah radio sederhana mendesak Han untuk mengejar teknik.

Sebagai seorang anak di Daerah Otonomi Mongolia Dalam, yang terbentang di sepanjang perbatasan utara Cina, ia membaca dengan teliti sebuah buku yang penuh dengan skema dan tips membuat papan sirkuit tercetak. Siswa sekolah dasar kemudian belajar sendiri membuat radio.

“Saya tidak bisa menghabiskan banyak waktu untuk berinvestasi dalam komponen elektronik dan mengutak-atiknya, tetapi benihnya ditanam di sana,” katanya. “Saya tidak tahu semua detail tentang cara kerjanya, tetapi ketika saya menyalakannya dan melihat semua komponen bekerja bersama, itu benar-benar hebat.”

Han belajar mikroelektronika di Universitas Fudan di Shanghai, dengan fokus pada fisika semikonduktor, desain sirkuit, dan fabrikasi mikro.

Kemajuan pesat dari perusahaan teknologi Silicon Valley telah mendorong Han untuk mendaftar di sekolah pascasarjana di Amerika Serikat. Saat mendapatkan gelar master dari University of Florida, ia bekerja di laboratorium Kenneth O, pelopor sirkuit terpadu terahertz yang saat ini mendorong penelitian Han.

“Saat itu, terahertz dianggap “terlalu mahal” untuk chip silikon, sehingga banyak yang mengira itu ide gila. Tapi bukan aku. Saya benar-benar beruntung bisa bekerja sama dengannya,” kata Han.

Dia melanjutkan penelitian ini sebagai mahasiswa PhD di Cornell University, di mana dia mengasah teknik inovatif untuk supercharging daya yang dapat dihasilkan oleh chip silikon di wilayah terahertz.

“Kami bekerja dengan penasihat Universitas Cornell Ehsan Afshari untuk bereksperimen dengan berbagai jenis chip silikon dan berinovasi dalam banyak “peretasan” matematika dan fisika “untuk beroperasi pada frekuensi yang sangat tinggi,” katanya.

Saat chip semakin kecil dan lebih cepat, Han mendorongnya hingga batasnya.

Jadikan terahertz dapat diakses

Han membawa semangat inovatif itu ke MIT ketika ia bergabung dengan fakultas EECS sebagai asisten profesor pada tahun 2014. Dia masih mendorong batas kinerja chip silikon dengan maksud untuk aplikasi praktis.

“Tujuan kami tidak hanya untuk bekerja pada elektronik, tetapi untuk mengeksplorasi aplikasi yang mereka aktifkan dan menunjukkan kelayakan aplikasi tersebut. Aspek yang sangat penting dari penelitian saya. Salah satunya adalah kami ingin tidak hanya memproses spektrum terahertz, tetapi juga membuat Itu tidak bisa diakses. Ini seharusnya tidak terjadi di lab, tetapi harus tersedia untuk semua orang, jadi jenis ini. Untuk menyediakan fungsionalitas, kami membutuhkan komponen yang sangat murah dan andal, “katanya.

Han sedang mempelajari penggunaan bandwidth terahertz untuk transfer data volume tinggi yang cepat yang dapat mendorong perangkat nirkabel melampaui 5G. Pita terahertz juga dapat berguna untuk komunikasi kabel. Han baru-baru ini mendemonstrasikan penggunaan kabel ultra-halus untuk mengirimkan data antara dua titik dengan kecepatan 100 Gbit/detik.

Gelombang Terahertz juga memiliki karakteristik unik yang melampaui aplikasi dalam perangkat komunikasi. Gelombang memutar molekul yang berbeda dengan kecepatannya sendiri, memungkinkan peneliti menggunakan perangkat terahertz untuk mengungkap komposisi materi.

“Kami sebenarnya bisa membuat chip silikon murah yang bisa ‘mengendus’ gas. Kami telah menciptakan spektrometer yang secara simultan dapat mengidentifikasi berbagai molekul gas yang sangat sensitif dengan sangat sedikit alarm palsu. Ini adalah sesuatu yang tidak dikuasai oleh spektrum lain, “katanya.

Tim Han menggunakan tugas ini untuk menciptakan jam molekuler yang mengubah kecepatan rotasi molekul menjadi sinyal waktu listrik yang sangat stabil untuk navigasi, komunikasi, dan sistem penginderaan. Meskipun bertindak seperti jam atom, chip silikon ini memiliki struktur sederhana, yang secara signifikan mengurangi biaya dan ukuran.

Bekerja terutama di area yang belum dijelajahi membuat pekerjaan ini sangat menantang, kata Han. Meski sudah berpuluh-puluh tahun kemajuan, elektronik semikonduktor masih belum cukup cepat, sehingga Han dan murid-muridnya harus terus berinovasi untuk mencapai tingkat efisiensi yang dibutuhkan untuk perangkat terahertz.Hmm.

Pekerjaan juga membutuhkan pemikiran interdisipliner. Dengan berkolaborasi dengan rekan-rekan di disiplin lain seperti kimia dan fisika, Han dapat mengeksplorasi bagaimana teknologi dapat menghasilkan aplikasi baru yang berguna.

Han senang berada di MIT. Di sana, siswa tidak takut untuk mengatasi masalah yang tampaknya tidak dapat dikelola dan dapat berkolaborasi dengan rekan kerja yang melakukan penelitian luar biasa di bidang mereka.

“Setiap hari kita dihadapkan pada masalah baru, dan bahkan mereka yang bekerja di bidang ini memikirkan ide-ide yang mungkin dianggap super gila oleh orang lain. Dan bidang ini masih tidak diinginkan. Ada banyak bahan dan komponen baru, kebutuhan baru, dan aplikasi potensial. sedang bermunculan. Ini baru permulaan. Ada peluang besar di hadapan kita,” ujarnya.