Ruonan Han cherche à repousser les limites des circuits électroniques.
Les recherches de Ruonan Han accélèrent les vitesses des circuits microélectroniques pour permettre de nouvelles applications dans les communications, la détection et la sécurité.
Han, un professeur agrégé qui a récemment obtenu une permanence en AVECLe département de génie électrique et d’informatique de , se concentre sur la production de semi-conducteurs qui fonctionnent efficacement à très hautes fréquences dans le but de combler ce que l’on appelle le « espace térahertz ».
La région térahertz du spectre électromagnétique, qui se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge, a largement échappé aux chercheurs car les appareils électroniques conventionnels sont trop lents pour manipuler les ondes térahertz.
Ruonan Han, professeur agrégé au Département de génie électrique et d’informatique, cherche à repousser les limites des appareils électroniques afin qu’ils puissent fonctionner efficacement à des fréquences térahertz. Crédit : M. Scott Brauer
“Traditionnellement, le térahertz a été un territoire inexploré pour les chercheurs simplement parce que, en termes de fréquence, il est trop élevé pour les spécialistes de l’électronique et trop faible pour les spécialistes de la photonique”, dit-il. « Nous avons beaucoup de limitations dans les matériaux et les vitesses des appareils qui peuvent atteindre ces fréquences, mais une fois que vous y êtes, beaucoup de choses incroyables se produisent. »
Par exemple, les ondes de fréquence térahertz peuvent se déplacer à travers des surfaces solides et générer des images très précises et haute résolution de ce qu’il y a à l’intérieur, dit Han.
Les ondes radiofréquence (RF) peuvent également traverser les surfaces – c’est la raison pour laquelle votre routeur Wi-Fi peut se trouver dans une pièce différente de celle de votre ordinateur. Mais les ondes térahertz sont beaucoup plus petites que les ondes radio, de sorte que les appareils qui les transmettent et les reçoivent peuvent également être plus petits.
L’équipe de Han, ainsi que sa collaboratrice Anantha Chandrakasan, doyenne de la School of Engineering et professeur Vannevar Bush de génie électrique et d’informatique, ont récemment démontré une étiquette d’identification de fréquence térahertz (TFID) d’à peine 1 millimètre carré.
« Il n’a pas besoin d’avoir d’antennes externes, il s’agit donc essentiellement d’un morceau de silicium qui est super bon marché, super petit, et peut toujours fournir les fonctions qu’une étiquette RFID normale peut faire. Parce qu’il est si petit, vous pouvez désormais étiqueter à peu près n’importe quel produit et suivre les informations logistiques telles que l’historique de fabrication, etc. Nous ne pouvions pas le faire auparavant, mais cela devient maintenant une possibilité », dit-il.
Syntonisant
Une simple radio a inspiré Han à poursuivre l’ingénierie.
Enfant en Mongolie intérieure, une province qui s’étend le long de la frontière nord de la Chine, il s’est penché sur des livres remplis de schémas de circuits et de conseils de bricolage pour fabriquer des cartes de circuits imprimés. L’élève du primaire a ensuite appris tout seul à construire une radio.
« Je ne pouvais pas investir beaucoup dans ces composants électroniques ou passer trop de temps à les bricoler, mais c’est là que la graine a été plantée », dit-il. « Je ne connaissais pas tous les détails de son fonctionnement, mais lorsque je l’ai allumé et que j’ai vu tous les composants fonctionner ensemble, c’était vraiment incroyable. »
Han est heureux d’être au MIT, où les étudiants n’ont pas peur de s’attaquer à des problèmes apparemment insolubles et où il peut collaborer avec des collègues qui font des recherches incroyables dans leurs domaines. Crédit : M. Scott Brauer
Han a étudié la microélectronique à l’Université Fudan à Shanghai, en se concentrant sur la physique des semi-conducteurs, la conception de circuits et la microfabrication.
Les progrès rapides des entreprises technologiques de la Silicon Valley ont inspiré Han à s’inscrire dans une école supérieure américaine. Tout en obtenant sa maîtrise à la Université de Floride, il a travaillé dans le laboratoire de Kenneth O, un pionnier des circuits intégrés térahertz qui guident désormais les recherches de Han.
« À l’époque, le térahertz était considéré comme « trop élevé » pour les puces en silicium, donc beaucoup de gens pensaient que c’était une idée folle. Mais pas moi. Je me suis senti vraiment chanceux de pouvoir travailler avec lui », dit Han.
Il a poursuivi ses recherches en tant qu’étudiant au doctorat à l’Université Cornell, où il a perfectionné des techniques innovantes pour surcharger la puissance que les puces de silicium peuvent générer dans le domaine térahertz.
« Avec mon conseiller Cornell, Ehsan Afshari, nous avons expérimenté différents types de puces en silicium et avons innové de nombreux « piratages » mathématiques et physiques pour les faire fonctionner à des fréquences très élevées », dit-il.
Alors que les jetons devenaient plus petits et plus rapides, Han les a poussés à leurs limites.
Rendre le térahertz accessible
Han a apporté cet esprit d’innovation au MIT lorsqu’il a rejoint la faculté EECS en tant que professeur assistant en 2014. Il repoussait toujours les limites de performance des puces de silicium, maintenant avec un œil sur les applications pratiques.
« Notre objectif n’est pas seulement de travailler sur l’électronique, mais d’explorer les applications que cette électronique peut permettre et de démontrer la faisabilité de ces applications. Un aspect particulièrement important de mes recherches est que nous ne voulons pas seulement traiter du spectre térahertz, nous voulons le rendre accessible. Nous ne voulons pas que cela se produise uniquement dans les laboratoires, mais qu’il soit utilisé par tout le monde. Vous devez donc disposer de composants très peu coûteux et très fiables pour pouvoir fournir ce type de capacités », explique-t-il.
Han étudie l’utilisation de la bande térahertz pour un transfert de données rapide et à haut volume qui pourrait pousser les appareils sans fil au-delà de la 5G. La bande térahertz pourrait également être utile pour les communications filaires. Han a récemment démontré l’utilisation de câbles ultrafins pour transmettre des données entre deux points à une vitesse de 100 gigabits par seconde.
Les ondes térahertz ont également des propriétés uniques au-delà de leurs applications dans les appareils de communication. Les ondes font tourner différentes molécules à des vitesses uniques, de sorte que les chercheurs peuvent utiliser des appareils térahertz pour révéler la composition d’une substance.
« Nous pouvons en fait fabriquer des puces en silicium à faible coût qui peuvent « sentir » un gaz. Nous avons créé un spectromètre capable d’identifier simultanément une large gamme de molécules de gaz avec de très faibles fausses alarmes et une sensibilité élevée. C’est quelque chose pour lequel l’autre spectre n’est pas bon », dit-il.
L’équipe de Han s’est appuyée sur ce travail pour inventer un horloge moléculaire qui transforme le taux de rotation moléculaire en un signal de synchronisation électrique très stable pour les systèmes de navigation, de communication et de détection. Bien qu’elle fonctionne un peu comme une horloge atomique, cette puce de silicium a une structure plus simple et un coût et une taille considérablement réduits.
Opérer dans des zones largement inexplorées rend ce travail particulièrement difficile, dit Han. Malgré des décennies de progrès, l’électronique des semi-conducteurs n’est toujours pas assez rapide. Han et ses étudiants doivent donc constamment innover pour atteindre le niveau d’efficacité requis pour les dispositifs térahertz.
Le travail exige également un état d’esprit interdisciplinaire. La collaboration avec des collègues dans d’autres domaines, tels que la chimie et la physique, permet à Han d’explorer comment la technologie peut conduire à de nouvelles applications utiles.
Han est heureux d’être au MIT, où les étudiants n’ont pas peur de s’attaquer à des problèmes apparemment insolubles et où il peut collaborer avec des collègues qui font des recherches incroyables dans leurs domaines.
«Chaque jour, nous sommes confrontés à de nouveaux problèmes et réfléchissons à des idées que d’autres personnes, même des personnes qui travaillent dans ce domaine, peuvent considérer comme folles. Et ce domaine en est à ses balbutiements en ce moment. Il y a beaucoup de nouveaux matériaux et composants émergents, et de nouveaux besoins et applications potentielles ne cessent d’apparaître. Ce n’est que le début. Il va y avoir de très grandes opportunités qui nous attendent », dit-il.
