Может ли ваш смартфон видеть сквозь стены?
Секретный агент вынужден действовать наперегонки со временем. Он знает, что бомба где-то рядом. Он заворачивает за угол, видит в проходе гору подозрительных коробок. Он сканирует коробки своим мобильным телефоном, их содержимое появляется на экране. В самый последний момент его полезное приложение для смартфона показывает взрывчатое устройство, и агент успевает обезвредить бомбу.
Это стало возможным благодаря крошечным и недорогим кремниевым микросхемам, созданным двумя инженерами-электриками из Калифорнийского технологического института (Caltech). Эти чипы генерируют и излучают высокочастотные электромагнитные волны, называемые терагерцевыми волнами (ТГц), которые попадают в практически неиспользуемый диапазон электромагнитного спектра – между микроволновым радиоизлучением и длинноволновым инфракрасным излучением, – и оно может проникнуть через массу материалов без ионизирующего вреда рентгеновского излучения.
Новые микросхемы, если внедрить их в переносные устройства, могли бы найти свое применение в различных областях – от национальной безопасности и беспроводной связи до здравоохранения и даже бесконтактных игр. Среди прочих применений в будущем эта технология может сделать возможной неинвазивную диагностику рака.
«Используя ту же дешевую технологию изготовления интегральных схем, которая сегодня используется для создания микросхем для наших сотовых телефонов и ноутбуков, мы сделали кремниевую микросхему, которая может работать почти в 300 раз быстрее, – говорит Али Хайимири, профессор электротехники в Калифорнийском технологическом институте. – Эти чипы станут началом нового поколения многофункциональных датчиков».
Хайимири и докторант Кошик Сенгапта описывают свою работу в декабрьском номере журнала IEEE Solid-State Circuits.
Исследователи долгое время рекламировали потенциал терагерцевого частотного диапазона, находящегося в пределах от 0,3 до 3 ТГц, с целью сканирования и формирования изображения. Такие электромагнитные волны могут легко проникать через упаковочные материалы и передавать детали изображения в высоком разрешении, а также обнаруживать химические следы фармацевтических препаратов, биологического оружия, запрещенных наркотиков и взрывчатых веществ. Однако большинство существующих терагерцевых систем включают в себя большие и дорогие лазерные установки, которые иногда требуют для работы исключительно низких температур. Потенциал терагерцевого сканирования и передачи изображения не использовался из-за нехватки компактной, дешевой технологии, которая может работать в данном частотном диапазоне.
Чтобы наконец реализовать потенциал терагерцевых волн, Хайимири и Сенгапта использовали комплементарную структуру металл-оксид-полупроводник, или КМОП-структуру (эта технология обычно используется для создания микросхем в бытовых электронных устройствах) для создания кремниевой микросхемы с полностью интегрированными функциональными возможностями, которая работает в терагерцевых частотах, но при этом помещается на кончике пальца.
«Этот экстраординарный уровень творческого потенциала, который позволил создать изображения в терагерцевом частотном диапазоне, более чем соответствует давней традиции Калифорнийского технологического института по части инноваций в области технологии КМОП, – говорит глава Отдела инженерии и прикладной науки Калифорнийского технологического института Арес Росакис. – Инженеры Калифорнийского технологического института, такие как Али Хайимири, действительно работают на стыке разных дисциплин, чтобы раздвинуть границы возможного».
Сигналы новых микросхем более чем в 1000 раз сильнее, чем в существующих вариантах. Эти микросхемы позволяют излучать терагерцевые сигналы, которые могут быть динамически запрограммированы и переданы в определенном направлении, что делает их первыми в мире сканирующими терагерцевыми антеннами.
Используя сканер, ученые могут обнаружить лезвие бритвы, спрятанное в куске пластика, или, к примеру, определить содержание жира в куске цыпленка. «Мы сейчас говорим не только о потенциале. Мы уже продемонстрировали, что это действительно работает, – говорит Хайимири. – В первый раз, когда мы увидели настоящие изображения, у нас просто перехватило дыхание».
Хайимири и Сенгапта преодолели множество трудностей, чтобы реализовать технологию КМОП в рабочих терагерцевых микросхемах, учитывая тот факт, что кремниевые микросхемы просто не предназначены для работы на терагерцевых частотах. Фактически у каждого транзистора есть частота, известная как частота среза, выше которой он не может усилить сигнал, и никакие стандартные транзисторы не могут усиливать сигналы в терагерцевом диапазоне.
Чтобы решить проблему частоты среза, исследователи использовали совместную мощность многих транзисторов, работающих в унисон. Если многочисленными элементами управляют в нужное время и на правильных частотах, их мощность объединяется, повышая силу совместного сигнала.
«Мы придумали способ управления транзисторами выше их частот среза, – объясняет Сенгапта. – Мы достигли уровня примерно на 40-50% выше частоты среза, и теперь мы можем производить большую мощность с помощью нашей новой методики. Традиционно люди пытались заставить эти технологии работать в очень высоких частотах с использованием больших по размеру элементов, производящих мощность. Представьте их себе как слонов. В наше время мы можем создать очень большое количество транзисторов, которые по отдельности не очень мощные, но когда они соединены и работают в унисон, они могут сделать намного больше. Если эти элементы синхронизированы, как армия муравьев, они могут сделать все, что делает слон, и даже больше».
Исследователи также выяснили, как излучать или передать терагерцевый сигнал после его получения. В таких высоких частотах нельзя использовать провод, а традиционные антенны в масштабе чипа неэффективны. Вместо этого они придумали новый способ превращения целого кремниевого чипа в антенну. И снова они использовали дифференцированный подход, внедрив в микросхему много маленьких металлических сегментов, которыми можно управлять в определенное время и на определенном уровне, чтобы они излучали общий сигнал.
«Мы должны сделать шаг назад и спросить: можем ли мы сделать это по-другому? – говорит Сенгапта. – Наши микросхемы – это пример инноваций, которые могут быть внедрены, только если мы сотрем границы между традиционными представлениями об интегральных схемах, электромагнитах, антеннах и прикладных науках. Это – целостное решение».
Компания IBM помогла с производством микросхем для этой работы.
