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據(jù)悉，Ruonan Han的研究正在推動(dòng)微電子電路的速度，從而實(shí)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(jì)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(yùn)作的半導(dǎo)體以努力彌補(bǔ)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?yàn)閭鹘y(tǒng)的電子設(shè)備太慢，以至于無(wú)法操縱太赫茲波。
他說道：“傳統(tǒng)上，太赫茲對(duì)研究人員來說一直是未開發(fā)的領(lǐng)域，只是因?yàn)閺念l率上來說，它對(duì)電子學(xué)人員來說太高，對(duì)光子學(xué)人員來說太低。我們?cè)诳梢赃_(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(huì)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(wú)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(wú)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(duì)及其合作者、工程學(xué)院院長(zhǎng)和Vannevar Bush電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授Anantha Chandrakasan最近展示了一個(gè)太赫茲頻率識(shí)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(jí)便宜、超級(jí)小的硅片，并且仍可以提供普通RFID標(biāo)簽可以做的功能。因?yàn)樗侨绱酥。悻F(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(wú)法做到這一點(diǎn)，但現(xiàn)在它成為一種可能。”
調(diào)頻
一臺(tái)簡(jiǎn)單的收音機(jī)激發(fā)了Han正對(duì)工程的追求。
當(dāng)Han還是個(gè)孩子時(shí)就翻閱了充滿電路原理圖和自己動(dòng)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(tái)收音機(jī)。
“我不能對(duì)這些電子元件進(jìn)行大量投資，也不能花太多時(shí)間去修補(bǔ)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(shí)，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(jì)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(guó)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(shí)驗(yàn)室工作，他成為了太赫茲集成電路的先驅(qū)。
"那時(shí)，太赫茲被認(rèn)為對(duì)硅芯片來說'太高'，所以很多人認(rèn)為這是一個(gè)瘋狂的想法。但我沒有。能夠與他一起工作，我感到非常幸運(yùn)，"Han說。
作為康奈爾大學(xué)的博士生，他繼續(xù)這項(xiàng)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?cè)囼?yàn)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?cè)诜浅８叩念l率下運(yùn)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(shí)將這種創(chuàng)新精神帶到了MIT。他仍在推動(dòng)硅芯片的性能極限，現(xiàn)在則著眼于實(shí)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(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)室里，而是讓每個(gè)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(huì)推動(dòng)無(wú)線設(shè)備超越5G。太赫茲頻段對(duì)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(diǎn)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(dú)特的特性。由于這種波可以讓不同的分子以獨(dú)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(shí)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(gè)光譜儀，它可以同時(shí)識(shí)別很大范圍的氣體分子并且誤報(bào)率非常低、靈敏度很高。這是其他光譜所不擅長(zhǎng)的，”Han說道。
Han的團(tuán)隊(duì)利用這項(xiàng)工作發(fā)明了一個(gè)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(jì)時(shí)信號(hào)，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(jiǎn)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(xiàng)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(xiàng)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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