Mendorong batas sirkuit elektronik – Majalah Time.com

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

Han, seorang profesor asosiasi yang baru-baru ini mendapatkan pekerjaan tetap di Departemen Teknik Elektro dan Ilmu Komputer MIT, berfokus pada produksi semikonduktor yang beroperasi secara efisien pada frekuensi yang sangat tinggi dalam upaya untuk menjembatani apa yang dikenal sebagai “celah terahertz.”

Wilayah terahertz dari spektrum elektromagnetik, yang terletak di antara gelombang mikro dan cahaya inframerah, sebagian besar telah luput dari perhatian peneliti karena perangkat elektronik konvensional terlalu lambat untuk memanipulasi gelombang terahertz.

“Secara tradisional, terahertz telah menjadi wilayah yang belum dijelajahi oleh para peneliti hanya karena, dari segi frekuensi, terlalu tinggi untuk orang elektronik dan terlalu rendah untuk orang fotonik,” katanya. “Kami memiliki banyak keterbatasan dalam materi dan kecepatan perangkat yang dapat mencapai frekuensi tersebut, tetapi begitu Anda sampai di sana, banyak hal menakjubkan terjadi.”

Misalnya, gelombang frekuensi terahertz dapat bergerak melalui permukaan padat dan menghasilkan gambar resolusi tinggi yang sangat tepat dari apa yang ada di dalamnya, kata Han.

Gelombang frekuensi radio (RF) juga dapat merambat melalui permukaan — itulah alasan router Wi-Fi Anda dapat berada di ruangan yang berbeda dari komputer Anda. Tetapi gelombang terahertz jauh lebih kecil daripada gelombang radio, sehingga perangkat yang mengirim dan menerimanya juga bisa lebih kecil.

Tim Han, bersama dengan kolaboratornya Anantha Chandrakasan, dekan Fakultas Teknik dan Profesor Teknik Elektro dan Ilmu Komputer Vannevar Bush, baru-baru ini mendemonstrasikan sebuah tag identifikasi frekuensi terahertz (TFID) yang berukuran hampir 1 milimeter persegi.

“Tidak perlu memiliki antena eksternal, jadi pada dasarnya hanya sepotong silikon yang sangat murah, sangat kecil, dan masih dapat memberikan fungsi yang dapat dilakukan oleh tag RFID biasa. Karena ukurannya sangat kecil, Anda sekarang dapat menandai hampir semua produk yang Anda inginkan dan melacak informasi logistik seperti sejarah manufaktur, dll. Kami tidak dapat melakukan ini sebelumnya, tetapi sekarang menjadi kemungkinan,” katanya.

Menyetel

Sebuah radio sederhana menginspirasi Han untuk mengejar teknik.

Sebagai seorang anak di Mongolia Dalam, sebuah provinsi yang terbentang di sepanjang perbatasan utara China, ia membaca buku-buku yang penuh dengan skema sirkuit dan kiat-kiat untuk membuat papan sirkuit tercetak. Siswa sekolah dasar itu kemudian belajar sendiri membuat radio.

“Saya tidak dapat berinvestasi banyak pada komponen elektronik tersebut atau menghabiskan terlalu banyak waktu untuk mengotak-atiknya, tetapi di situlah benih ditanam,” katanya. “Saya tidak tahu semua detail tentang cara kerjanya, tetapi ketika saya menyalakannya dan melihat semua komponen bekerja bersama, itu benar-benar menakjubkan.”

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 menginspirasi Han untuk mendaftar di sekolah pascasarjana AS. Saat mendapatkan gelar masternya di University of Florida, ia bekerja di lab Kenneth O, pelopor sirkuit terpadu terahertz yang sekarang mendorong penelitian Han.

“Saat itu, terahertz dianggap ‘terlalu tinggi’ untuk chip silikon, jadi banyak orang mengira itu ide gila. Tapi bukan aku. Saya merasa sangat beruntung bisa bekerja dengannya,” kata Han.

Dia melanjutkan penelitian ini sebagai mahasiswa PhD di Cornell University, di mana dia mengasah teknik inovatif untuk meningkatkan kekuatan yang dapat dihasilkan oleh chip silikon dalam domain terahertz.

“Dengan penasihat Cornell saya, Ehsan Afshari, kami bereksperimen dengan berbagai jenis chip silikon dan berinovasi dalam banyak ‘retasan’ matematika dan fisika untuk membuatnya berjalan pada frekuensi yang sangat tinggi,” katanya.

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

Membuat terahertz dapat diakses

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

“Tujuan kami tidak hanya untuk bekerja pada elektronik, tetapi untuk mengeksplorasi aplikasi yang dapat diaktifkan oleh elektronik ini, dan menunjukkan kelayakan aplikasi tersebut. Salah satu aspek penting dari penelitian saya adalah bahwa kami tidak hanya ingin berurusan dengan spektrum terahertz, kami ingin membuatnya dapat diakses. Kami tidak ingin ini terjadi begitu saja di dalam laboratorium, tetapi digunakan oleh semua orang. Jadi, Anda perlu memiliki komponen yang sangat murah dan sangat andal untuk dapat memberikan kemampuan semacam itu, ”katanya.

Han sedang mempelajari penggunaan pita 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 tipis untuk mengirimkan data antara dua titik dengan kecepatan 100 gigabit per detik.

Gelombang Terahertz juga memiliki sifat unik di luar aplikasinya dalam perangkat komunikasi. Gelombang menyebabkan molekul yang berbeda berputar pada kecepatan yang unik, sehingga peneliti dapat menggunakan perangkat terahertz untuk mengungkapkan komposisi suatu zat.

“Kami sebenarnya bisa membuat chip silikon murah yang bisa ‘mencium’ gas. Kami telah membuat spektrometer yang dapat secara bersamaan mengidentifikasi sejumlah besar molekul gas dengan alarm palsu yang sangat rendah dan sensitivitas yang tinggi. Ini adalah sesuatu yang tidak bisa dilakukan oleh spektrum lain, ”katanya.

Tim Han memanfaatkan pekerjaan ini untuk menciptakan jam molekul yang mengubah tingkat rotasi molekul menjadi sinyal waktu listrik yang sangat stabil untuk navigasi, komunikasi, dan sistem penginderaan. Meskipun berfungsi seperti jam atom, chip silikon ini memiliki struktur yang lebih sederhana dan sangat mengurangi biaya dan ukuran.

Beroperasi di area yang sebagian besar belum dijelajahi membuat pekerjaan ini sangat menantang, kata Han. Meskipun kemajuan selama beberapa dekade, elektronik semikonduktor masih belum cukup cepat, sehingga Han dan murid-muridnya harus terus berinovasi untuk mencapai tingkat efisiensi yang diperlukan untuk perangkat terahertz.

Pekerjaan juga membutuhkan pola pikir interdisipliner. Berkolaborasi dengan rekan-rekan di domain lain, seperti kimia dan fisika, memungkinkan Han untuk mengeksplorasi bagaimana teknologi dapat menghasilkan aplikasi baru yang berguna.

Han senang dia berada di MIT, di mana para siswa tidak takut menghadapi masalah yang tampaknya sulit dipecahkan dan dia dapat berkolaborasi dengan rekan-rekan yang melakukan penelitian luar biasa di bidang mereka.

“Setiap hari kita menghadapi masalah baru dan memikirkan ide-ide yang orang lain, bahkan orang yang bekerja di bidang ini, mungkin menganggapnya sangat gila. Dan bidang ini sedang dalam masa pertumbuhan sekarang. Ada banyak bahan dan komponen baru yang muncul, dan kebutuhan baru serta aplikasi potensial terus bermunculan. Ini baru permulaan. Akan ada peluang yang sangat besar terbentang di depan kita, ”katanya.

Ditulis oleh Adam Zewe

Sumber: Institut Teknologi Massachusetts