科学家正在利用太赫兹波开发下一代电子器件

据悉，Ruonan Han的研究正在推动微电子电路的速度，从而实现通信、传感和安全方面的新应用。Han是麻省理工学院(MIT)电子工程和计算机科学系最近获得终身职位的副教授，他专注于生产能在非常高的频率下有效运作的半导体以努力弥补所谓的“太赫兹差距”。

电磁波谱的太赫兹区域位于微波和红外光之间，在很大程度上躲避了研究人员，因为传统的电子设备太慢，以至于无法操纵太赫兹波。

他说道：“传统上，太赫兹对研究人员来说一直是未开发的领域，只是因为从频率上来说，它对电子学人员来说太高，对光子学人员来说太低。我们在可以达到这些频率的设备的材料和速度方面有很多限制，但一旦你到达那里，就会发生很多令人惊奇的事情。”比如太赫兹频率波可以穿过固体表面并产生非常精确、高分辨率的内部图像，Han举例称。

无线电频率(RF)波也可以穿过表面--这就是你的Wi-Fi路由器可以和你的电脑在不同房间的原因。但太赫兹波比无线电波要小得多，所以发射和接收它们的设备也可以更小。

Han的团队及其合作者、工程学院院长和Vannevar Bush电子工程和计算机科学教授Anantha Chandrakasan最近展示了一个太赫兹频率识别(TFID)标签，其尺寸几乎连1平方毫米都不到。

“它不需要有任何外部天线，所以它本质上只是一块超级便宜、超级小的硅片，并且仍可以提供普通RFID标签可以做的功能。因为它是如此之小，你现在可以标记你想要的几乎任何产品并跟踪物流信息，如制造历史等，”他说道，“我们以前无法做到这一点，但现在它成为一种可能。”

调频

一台简单的收音机激发了Han正对工程的追求。

当Han还是个孩子时就翻阅了充满电路原理图和自己动手制作印刷电路板技巧的书籍。然后，这位小学生自学制作了一台收音机。

“我不能对这些电子元件进行大量投资，也不能花太多时间去修补它们，但这就是种子被埋下的地方。我不知道它是如何工作的所有细节，但当我打开它，看到所有的组件一起工作时，真的很神奇，”Han说道。

Han后来在上海复旦大学学习微电子学并专注于半导体物理学、电路设计和微加工。

硅谷科技公司的快速发展激发了Han进入美国研究生院学习。在佛罗里达大学获得硕士学位期间，他在Kenneth O实验室工作，他成为了太赫兹集成电路的先驱。

"那时，太赫兹被认为对硅芯片来说'太高'，所以很多人认为这是一个疯狂的想法。但我没有。能够与他一起工作，我感到非常幸运，"Han说。

作为康奈尔大学的博士生，他继续这项研究，在那里他磨练了创新技术进而提高硅芯片在太赫兹领域所能产生的功率。

他介绍道：“跟我在康奈尔大学的导师Ehsan Afshari一起，我们试验了不同类型的硅芯片并创新了许多数学和物理学的‘黑科技’从而使它们在非常高的频率下运行。”

随着芯片变得越来越小、越来越快，Han将它们推向了极限。

让太赫兹成为可能

Han在2014年作为助理教授加入EECS学院时将这种创新精神带到了MIT。他仍在推动硅芯片的性能极限，现在则着眼于实际应用。

“我们的目标不仅是研究电子器件，并且要探索这些电子器件可以实现的应用并证明这些应用的可行性。我的研究中一个特别重要的方面是，我们不只是想处理太赫兹频谱，我们想让它变得容易使用。我们不希望这只是发生在实验室里，而是让每个人都能使用。因此，你需要有非常低成本、非常可靠的组件来提供这些能力，”他说道。

Han现在正在研究如何利用太赫兹频段进行快速、大量的数据传输，这可能会推动无线设备超越5G。太赫兹频段对有线通信也可能是有用的。Han最近展示了使用超薄电缆在两点之间以每秒100千兆位的速度传输数据。

太赫兹波除了在通信设备中的应用外还具有独特的特性。由于这种波可以让不同的分子以独特的速度旋转，所以研究人员可以使用太赫兹设备来揭示物质的组成。

“我们实际上可以制造低成本的硅芯片，可以‘闻’到气体。我们已经创建了一个光谱仪，它可以同时识别很大范围的气体分子并且误报率非常低、灵敏度很高。这是其他光谱所不擅长的，”Han说道。

Han的团队利用这项工作发明了一个分子钟，它可以将分子的旋转速率转化为高度稳定的电子计时信号，这颗用于导航、通信和传感系统。虽然它的功能很像原子钟，但这种硅芯片的结构更简单，并且成本和尺寸也得到了大大降低。

Han表示，在基本上没有探索过的领域进行操作使这项工作特别具有挑战性。尽管取得了几十年的进展，半导体电子技术仍不够快，所以Han和他的学生必须不断创新以达到太赫兹设备所需的效率水平。

这项工作还需要一种跨学科的思维方式。通过跟其他领域如化学和物理学的同事合作，，Han得以能够探索该技术的新应用。