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皓天鑫
據(jù)悉，Ruonan Han的研究正在推動微電子電路的速度，從而實現(xiàn)通信、傳感和安全方面的新應(yīng)用。Han是麻省理工學(xué)院(MIT)電子工程和計算機(jī)科學(xué)系最近獲得終身職位的副教授，他專注于生產(chǎn)能在非常高的頻率下有效運作的半導(dǎo)體以努力彌補所謂的“太赫茲差距”。
電磁波譜的太赫茲區(qū)域位于微波和紅外光之間，在很大程度上躲避了研究人員，因為傳統(tǒng)的電子設(shè)備太慢，以至于無法操縱太赫茲波。
他說道：“傳統(tǒng)上，太赫茲對研究人員來說一直是未開發(fā)的領(lǐng)域，只是因為從頻率上來說，它對電子學(xué)人員來說太高，對光子學(xué)人員來說太低。我們在可以達(dá)到這些頻率的設(shè)備的材料和速度方面有很多限制，但一旦你到達(dá)那里，就會發(fā)生很多令人驚奇的事情。”比如太赫茲頻率波可以穿過固體表面并產(chǎn)生非常精確、高分辨率的內(nèi)部圖像，Han舉例稱。
無線電頻率(RF)波也可以穿過表面--這就是你的Wi-Fi路由器可以和你的電腦在不同房間的原因。但太赫茲波比無線電波要小得多，所以發(fā)射和接收它們的設(shè)備也可以更小。
Han的團(tuán)隊及其合作者、工程學(xué)院院長和Vannevar Bush電子工程和計算機(jī)科學(xué)教授Anantha Chandrakasan最近展示了一個太赫茲頻率識別(TFID)標(biāo)簽，其尺寸幾乎連1平方毫米都不到。
“它不需要有任何外部天線，所以它本質(zhì)上只是一塊超級便宜、超級小的硅片，并且仍可以提供普通RFID標(biāo)簽可以做的功能。因為它是如此之小，你現(xiàn)在可以標(biāo)記你想要的幾乎任何產(chǎn)品并跟蹤物流信息，如制造歷史等，”他說道，“我們以前無法做到這一點，但現(xiàn)在它成為一種可能。”
調(diào)頻
一臺簡單的收音機(jī)激發(fā)了Han正對工程的追求。
當(dāng)Han還是個孩子時就翻閱了充滿電路原理圖和自己動手制作印刷電路板技巧的書籍。然后，這位小學(xué)生自學(xué)制作了一臺收音機(jī)。
“我不能對這些電子元件進(jìn)行大量投資，也不能花太多時間去修補它們，但這就是種子被埋下的地方。我不知道它是如何工作的所有細(xì)節(jié)，但當(dāng)我打開它，看到所有的組件一起工作時，真的很神奇，”Han說道。
Han后來在上海復(fù)旦大學(xué)學(xué)習(xí)微電子學(xué)并專注于半導(dǎo)體物理學(xué)、電路設(shè)計和微加工。
硅谷科技公司的快速發(fā)展激發(fā)了Han進(jìn)入美國研究生院學(xué)習(xí)。在佛羅里達(dá)大學(xué)獲得碩士學(xué)位期間，他在Kenneth O實驗室工作，他成為了太赫茲集成電路的先驅(qū)。
"那時，太赫茲被認(rèn)為對硅芯片來說'太高'，所以很多人認(rèn)為這是一個瘋狂的想法。但我沒有。能夠與他一起工作，我感到非常幸運，"Han說。
作為康奈爾大學(xué)的博士生，他繼續(xù)這項研究，在那里他磨練了創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)而提高硅芯片在太赫茲領(lǐng)域所能產(chǎn)生的功率。
他介紹道：“跟我在康奈爾大學(xué)的導(dǎo)師Ehsan Afshari一起，我們試驗了不同類型的硅芯片并創(chuàng)新了許多數(shù)學(xué)和物理學(xué)的‘黑科技’從而使它們在非常高的頻率下運行。”
隨著芯片變得越來越小、越來越快，Han將它們推向了極限。
讓太赫茲成為可能
Han在2014年作為助理教授加入EECS學(xué)院時將這種創(chuàng)新精神帶到了MIT。他仍在推動硅芯片的性能極限，現(xiàn)在則著眼于實際應(yīng)用。
“我們的目標(biāo)不僅是研究電子器件，并且要探索這些電子器件可以實現(xiàn)的應(yīng)用并證明這些應(yīng)用的可行性。我的研究中一個特別重要的方面是，我們不只是想處理太赫茲頻譜，我們想讓它變得容易使用。我們不希望這只是發(fā)生在實驗室里，而是讓每個人都能使用。因此，你需要有非常低成本、非?？煽康慕M件來提供這些能力，”他說道。
Han現(xiàn)在正在研究如何利用太赫茲頻段進(jìn)行快速、大量的數(shù)據(jù)傳輸，這可能會推動無線設(shè)備超越5G。太赫茲頻段對有線通信也可能是有用的。Han最近展示了使用超薄電纜在兩點之間以每秒100千兆位的速度傳輸數(shù)據(jù)。
太赫茲波除了在通信設(shè)備中的應(yīng)用外還具有獨特的特性。由于這種波可以讓不同的分子以獨特的速度旋轉(zhuǎn)，所以研究人員可以使用太赫茲設(shè)備來揭示物質(zhì)的組成。
“我們實際上可以制造低成本的硅芯片，可以‘聞’到氣體。我們已經(jīng)創(chuàng)建了一個光譜儀，它可以同時識別很大范圍的氣體分子并且誤報率非常低、靈敏度很高。這是其他光譜所不擅長的，”Han說道。
Han的團(tuán)隊利用這項工作發(fā)明了一個分子鐘，它可以將分子的旋轉(zhuǎn)速率轉(zhuǎn)化為高度穩(wěn)定的電子計時信號，這顆用于導(dǎo)航、通信和傳感系統(tǒng)。雖然它的功能很像原子鐘，但這種硅芯片的結(jié)構(gòu)更簡單，并且成本和尺寸也得到了大大降低。
Han表示，在基本上沒有探索過的領(lǐng)域進(jìn)行操作使這項工作特別具有挑戰(zhàn)性。盡管取得了幾十年的進(jìn)展，半導(dǎo)體電子技術(shù)仍不夠快，所以Han和他的學(xué)生必須不斷創(chuàng)新以達(dá)到太赫茲設(shè)備所需的效率水平。
這項工作還需要一種跨學(xué)科的思維方式。通過跟其他領(lǐng)域如化學(xué)和物理學(xué)的同事合作，，Han得以能夠探索該技術(shù)的新應(yīng)用。
(原標(biāo)題：科學(xué)家正在利用太赫茲波開發(fā)下一代電子器件)
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