Superare i limiti dei circuiti elettronici | Notizie del MIT Leave a comment

La ricerca di Ruonan Han sta aumentando la velocità dei circuiti microelettronici per consentire nuove applicazioni nelle comunicazioni, nel rilevamento e nella sicurezza.

Han, un professore associato che ha recentemente ottenuto un incarico presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica del MIT, si concentra sulla produzione di semiconduttori che operano in modo efficiente a frequenze molto elevate nel tentativo di colmare il cosiddetto “divario di terahertz”.

La regione dei terahertz dello spettro elettromagnetico, che si trova tra le microonde e la luce infrarossa, è in gran parte sfuggita ai ricercatori perché i dispositivi elettronici convenzionali sono troppo lenti per manipolare le onde terahertz.

“Tradizionalmente, il terahertz è stato un territorio inesplorato per i ricercatori semplicemente perché, in termini di frequenza, è troppo alto per gli esperti di elettronica e troppo basso per quelli di fotonica”, afferma. “Abbiamo molte limitazioni nei materiali e nella velocità dei dispositivi che possono raggiungere quelle frequenze, ma una volta arrivati ​​lì, accadono molte cose incredibili”.

Ad esempio, le onde di frequenza terahertz possono muoversi attraverso superfici solide e generare immagini molto precise e ad alta risoluzione di ciò che è all’interno, afferma Han.

Anche le onde a radiofrequenza (RF) possono viaggiare attraverso le superfici: questo è il motivo per cui il tuo router Wi-Fi può trovarsi in una stanza diversa rispetto al tuo computer. Ma le onde terahertz sono molto più piccole delle onde radio, quindi anche i dispositivi che le trasmettono e le ricevono possono essere più piccoli.

Il team di Han, insieme alla sua collaboratrice Anantha Chandrakasan, preside della School of Engineering e Vannevar Bush Professor of Electrical Engineering and Computer Science, ha recentemente dimostrato un tag di identificazione della frequenza terahertz (TFID) che era a malapena 1 millimetro quadrato di dimensione.

“Non ha bisogno di antenne esterne, quindi è essenzialmente solo un pezzo di silicio che è super economico, super piccolo e può ancora fornire le funzioni che un normale tag RFID può svolgere. Poiché è così piccolo, ora puoi etichettare praticamente qualsiasi prodotto che desideri e tenere traccia delle informazioni logistiche come la storia della produzione, ecc. Non potevamo farlo prima, ma ora diventa una possibilità”, afferma.

Sintonizzazione

Una semplice radio ha ispirato Han a dedicarsi all’ingegneria.

Da bambino nella Mongolia interna, una provincia che si estende lungo il confine settentrionale della Cina, ha studiato libri pieni di schemi di circuiti e suggerimenti fai-da-te per realizzare circuiti stampati. Lo studente della scuola elementare ha poi imparato da solo a costruire una radio.

“Non potevo investire molto in quei componenti elettronici o passare troppo tempo ad armeggiare con loro, ma era lì che veniva piantato il seme”, dice. “Non conoscevo tutti i dettagli di come funzionasse, ma quando l’ho acceso e ho visto tutti i componenti lavorare insieme è stato davvero sorprendente.”

Han ha studiato microelettronica alla Fudan University di Shanghai, concentrandosi sulla fisica dei semiconduttori, sulla progettazione di circuiti e sulla microfabbricazione.

I rapidi progressi delle aziende tecnologiche della Silicon Valley hanno ispirato Han a iscriversi a una scuola di specializzazione negli Stati Uniti. Mentre conseguiva il master all’Università della Florida, ha lavorato nel laboratorio di Kenneth O, un pioniere dei circuiti integrati terahertz che ora guidano la ricerca di Han.

“All’epoca, i terahertz erano considerati ‘troppo alti’ per i chip di silicio, quindi molte persone pensavano che fosse un’idea folle. Ma non io. Mi sono sentito davvero fortunato a poter lavorare con lui”, dice Han.

Ha continuato questa ricerca come studente di dottorato presso la Cornell University, dove ha affinato tecniche innovative per potenziare la potenza che i chip di silicio possono generare nel dominio dei terahertz.

“Con il mio consulente Cornell, Ehsan Afshari, abbiamo sperimentato diversi tipi di chip di silicio e innovato molti ‘hack’ di matematica e fisica per farli funzionare a frequenze molto elevate”, afferma.

Man mano che le chips diventavano più piccole e veloci, Han le spingeva al limite.

Rendere accessibili i terahertz

Han ha portato quello spirito innovativo al MIT quando è entrato a far parte della facoltà EECS come assistente professore nel 2014. Stava ancora spingendo i limiti delle prestazioni dei chip di silicio, ora con un occhio alle applicazioni pratiche.

“Il nostro obiettivo non è solo lavorare sull’elettronica, ma esplorare le applicazioni che questa elettronica può abilitare e dimostrare la fattibilità di tali applicazioni. Un aspetto particolarmente importante della mia ricerca è che non vogliamo solo occuparci dello spettro terahertz, vogliamo renderlo accessibile. Non vogliamo che ciò accada solo all’interno dei laboratori, ma che sia utilizzato da tutti. Quindi, è necessario disporre di componenti molto affidabili e a basso costo per essere in grado di fornire questo tipo di funzionalità”, afferma.

Han sta studiando l’uso della banda terahertz per il trasferimento di dati rapido e ad alto volume che potrebbe spingere i dispositivi wireless oltre il 5G. La banda terahertz potrebbe essere utile anche per le comunicazioni cablate. Han ha recentemente dimostrato l’uso di cavi ultrasottili per la trasmissione dei dati tra due punti alla velocità di 100 gigabit al secondo.

Le onde terahertz hanno anche proprietà uniche oltre alle loro applicazioni nei dispositivi di comunicazione. Le onde fanno ruotare diverse molecole a velocità uniche, quindi i ricercatori possono utilizzare dispositivi terahertz per rivelare la composizione di una sostanza.

“Possiamo effettivamente realizzare chip di silicio a basso costo che possono ‘sudare’ un gas. Abbiamo creato uno spettrometro in grado di identificare simultaneamente un’ampia gamma di molecole di gas con falsi allarmi molto bassi e un’elevata sensibilità. Questo è qualcosa in cui l’altro spettro non è bravo”, dice.

Il team di Han ha attinto a questo lavoro per inventare un orologio molecolare che trasforma la velocità di rotazione molecolare in un segnale di temporizzazione elettrico altamente stabile per i sistemi di navigazione, comunicazione e rilevamento. Sebbene funzioni in modo molto simile a un orologio atomico, questo chip di silicio ha una struttura più semplice e costi e dimensioni notevolmente ridotti.

Operare in aree in gran parte inesplorate rende questo lavoro particolarmente impegnativo, afferma Han. Nonostante decenni di progressi, l’elettronica dei semiconduttori non è ancora abbastanza veloce, quindi Han e i suoi studenti devono innovare costantemente per raggiungere il livello di efficienza richiesto per i dispositivi terahertz.

Il lavoro richiede anche una mentalità interdisciplinare. La collaborazione con colleghi di altri settori, come la chimica e la fisica, consente a Han di esplorare come la tecnologia può portare a nuove utili applicazioni.

Han è contento di essere al MIT, dove gli studenti non hanno paura di affrontare problemi apparentemente intrattabili e può collaborare con colleghi che stanno facendo ricerche incredibili nei loro domini.

“Ogni giorno affrontiamo nuovi problemi e pensiamo a idee che altre persone, anche persone che lavorano in questo campo, potrebbero considerare super folli. E questo campo è nella sua infanzia in questo momento. Ci sono molti nuovi materiali e componenti emergenti e continuano a spuntare nuove esigenze e potenziali applicazioni. Questo è solo l’inizio. Ci saranno grandi opportunità davanti a noi”, dice.