Do tej pory możliwość przyspieszania urządzeń elektronicznych sprowadzała się do prostej zasady: zmniejszania liczby tranzystorów i innych komponentów. Ale to podejście osiąga swoje granice, ponieważ korzyści z kurczenia się są równoważone przez szkodliwe efekty, takie jak opór i zmniejszona moc wyjściowa.
Elison Matioli z Power and Wide-band-Gap Electronics Research Lab (POWERlab) w Szkole Inżynierii EPFL wyjaśnia, że dalsza miniaturyzacja nie jest zatem realnym rozwiązaniem poprawiającym wydajność elektroniki. “Pojawiają się nowe prace opisujące coraz mniejsze urządzenia, ale w przypadku materiałów wykonanych z azotku galu najlepsze urządzenia pod względem częstotliwości publikowane były już kilka lat temu” – mówi. „Po tym naprawdę nie ma nic lepszego, ponieważ wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru urządzenia stajemy przed fundamentalnymi ograniczeniami. Dzieje się tak niezależnie od użytego materiału”.
W odpowiedzi na to wyzwanie Matioli i doktorant Mohammad Samizadeh Nikoo opracowali nowe podejście do elektroniki, które może przezwyciężyć te ograniczenia i umożliwić nową klasę urządzeń terahercowych. Zamiast zmniejszać swoje urządzenie, zmienili je, w szczególności poprzez wytrawienie wzorzystych styków zwanych metastrukturami w odległościach poniżej długości fali na półprzewodniku wykonanym z azotku galu i azotku indu i galu. Te metastruktury pozwalają kontrolować pola elektryczne wewnątrz urządzenia, dając niezwykłe właściwości, które nie występują w naturze.
Co najważniejsze, urządzenie może działać na częstotliwościach elektromagnetycznych w zakresie terahercowym (pomiędzy 0,3-30 THz) – znacznie szybciej niż fale gigahercowe stosowane w dzisiejszej elektronice. Mogą zatem przenosić znacznie większe ilości informacji dla danego sygnału lub okresu, co daje im ogromny potencjał zastosowań w komunikacji 6G i nie tylko.
„Odkryliśmy, że manipulowanie polami o częstotliwości radiowej w mikroskopijnych skalach może znacznie zwiększyć wydajność urządzeń elektronicznych bez polegania na agresywnym zmniejszaniu skali” – wyjaśnia Samizadeh Nikoo, który jest pierwszym autorem artykułu na temat przełomu, opublikowanego niedawno w czasopiśmie Nature.
Rekordowe wysokie częstotliwości, rekordowo niski opór
Ponieważ częstotliwości terahercowe są zbyt szybkie dla współczesnej elektroniki i zbyt wolne dla zastosowań optycznych, zakres ten jest często określany jako „przerwa terahercowa”. Używanie metastruktur podfalowych do modulowania fal terahercowych to technika wywodząca się ze świata optyki. Ale metoda POWERlab pozwala na bezprecedensowy stopień kontroli elektronicznej, w przeciwieństwie do podejścia optycznego polegającego na oświetlaniu istniejącego wzoru zewnętrzną wiązką światła.
„W naszym podejściu opartym na elektronice zdolność kontrolowania indukowanych częstotliwości radiowych wynika z połączenia styków o wzorach o długości poniżej fali oraz kontroli kanału elektronicznego z przyłożonym napięciem. Oznacza to, że możemy zmienić efekt zbiorowy wewnątrz metaurządzenia poprzez indukowanie elektronów (lub nie)”, mówi Matioli.
Podczas gdy najbardziej zaawansowane urządzenia dostępne obecnie na rynku mogą osiągać częstotliwości do 2 THz, metaurządzenia POWERlab mogą osiągnąć 20 THz. Podobnie dzisiejsze urządzenia pracujące w zakresie terahercowym mają tendencję do psucia się przy napięciu poniżej 2 woltów, podczas gdy metaurządzenia mogą wytrzymać napięcie powyżej 20 woltów. Umożliwia to transmisję i modulację sygnałów terahercowych ze znacznie większą mocą i częstotliwością niż jest to obecnie możliwe.
Rozwiązania zintegrowane
Jak wyjaśnia Samizadeh Nikoo, modulacja fal terahercowych ma kluczowe znaczenie dla przyszłości telekomunikacji, ponieważ rosnące wymagania dotyczące danych w technologiach, takich jak pojazdy autonomiczne i komunikacja mobilna 6G, szybko osiągają granice dzisiejszych urządzeń. Metaurządzenia elektroniczne opracowane w POWERlab mogą stanowić podstawę zintegrowanej elektroniki terahercowej poprzez wytwarzanie kompaktowych chipów o wysokiej częstotliwości, których można już używać na przykład w smartfonach.
„Ta nowa technologia może zmienić przyszłość ultraszybkiej komunikacji, ponieważ jest kompatybilna z istniejącymi procesami w produkcji półprzewodników. Zademonstrowaliśmy transmisję danych z prędkością do 100 gigabitów na sekundę przy częstotliwościach terahercowych, czyli już 10 razy szybciej niż co mamy dzisiaj z 5G”, mówi Samizadeh Nikoo.
Aby w pełni wykorzystać potencjał tego podejścia, Matioli mówi, że następnym krokiem jest opracowanie innych komponentów elektronicznych gotowych do integracji w obwodach terahercowych.
„Zintegrowana elektronika terahercowa to kolejna granica połączonej przyszłości. Ale nasze metaurządzenia elektroniczne to tylko jeden komponent. Musimy opracować inne zintegrowane komponenty terahercowe, aby w pełni wykorzystać potencjał tej technologii. To jest nasza wizja i cel”.