Элисон Матиоли из исследовательской лаборатории силовой и широкополосной электроники (PowerLab) инженерной школы EPFL объясняет, что дальнейшая миниатюризация, следовательно, не является жизнеспособным решением для повышения производительности электроники. "Появляются новые статьи, описывающие устройства все меньших размеров, но в случае материалов, изготовленных из нитрида галлия, лучшие устройства с точки зрения частоты уже были опубликованы несколько лет назад", - говорит он. "После этого действительно нет ничего лучше, потому что по мере уменьшения размера устройства мы сталкиваемся с фундаментальными ограничениями. Это верно независимо от используемого материала."

В ответ на этот вызов Матиоли и аспирант Мохаммад Самизаде Никоо предложили новый подход к электронике, который мог бы преодолеть эти ограничения и создать новый класс терагерцовых устройств. Вместо того, чтобы сжимать свое устройство, они изменили его структуру, в частности, вытравив узорчатые контакты, называемые метаструктурами, на субволновых расстояниях на полупроводнике, изготовленном из нитрида галлия и индия-нитрид галлия. Эти метаструктуры позволяют управлять электрическими полями внутри устройства, придавая ему экстраординарные свойства, которые не встречаются в природе.

Важно отметить, что устройство может работать на электромагнитных частотах в терагерцевом диапазоне (от 0,3 до 30 ТГц) - значительно быстрее, чем гигагерцевые волны, используемые в современной электронике. Таким образом, они могут передавать гораздо больший объем информации за заданный сигнал или период, что дает им большой потенциал для применения в системах связи 6G и за ее пределами.

"Мы обнаружили, что манипулирование радиочастотными полями в микроскопических масштабах может значительно повысить производительность электронных устройств, не полагаясь на агрессивное уменьшение масштаба", - объясняет Самизаде Никоо, который является первым автором статьи о прорыве, недавно опубликованной в журнале Природа.

Рекордно высокие частоты, рекордно низкое сопротивление

Поскольку терагерцовые частоты слишком быстры для современной электроники и слишком медленны для применения в оптике, этот диапазон часто называют "терагерцовым промежутком". Использование субволновых метаструктур для модуляции терагерцовых волн - это метод, пришедший из мира оптики. Но метод PowerLab обеспечивает беспрецедентную степень электронного управления, в отличие от оптического подхода, заключающегося в наведении внешнего луча света на существующий рисунок.

"В нашем подходе, основанном на электронике, возможность управлять индуцированными радиочастотами обеспечивается комбинацией контактов с субволновым рисунком плюс управление электронным каналом с помощью приложенного напряжения. Это означает, что мы можем изменить коллективный эффект внутри метадевайса, индуцируя электроны (или нет)", - говорит Матиоли.

В то время как самые передовые устройства, представленные сегодня на рынке, могут достигать частот до 2 ТГц, метаданные PowerLab могут достигать 20 ТГц. Аналогичным образом, современные устройства, работающие в терагерцевом диапазоне, имеют тенденцию выходить из строя при напряжении ниже 2 вольт, в то время как метаданные могут поддерживать напряжение выше 20 вольт. Это позволяет передавать и модулировать терагерцовые сигналы с гораздо большей мощностью и частотой, чем это возможно в настоящее время.

Интегрированные решения

Как объясняет Самизаде Никоо, модуляция терагерцовых волн имеет решающее значение для будущего телекоммуникаций, поскольку растущие требования к данным, предъявляемые такими технологиями, как автономные транспортные средства и мобильная связь 6G, быстро достигают пределов возможностей современных устройств. Электронные метаданные, разработанные в PowerLab, могли бы стать основой для интегрированной терагерцовой электроники путем производства компактных высокочастотных чипов, которые уже можно использовать, например, со смартфонами.

"Эта новая технология может изменить будущее сверхскоростной связи, поскольку она совместима с существующими процессами в производстве полупроводников. Мы продемонстрировали передачу данных со скоростью до 100 гигабит в секунду на терагерцовых частотах, что уже в 10 раз превышает то, что мы имеем сегодня с 5G", - говорит Самизаде Никоо.

По словам Матиоли, чтобы полностью реализовать потенциал этого подхода, следующим шагом будет разработка других электронных компонентов, готовых к интеграции в терагерцовые схемы.

"Интегрированная терагерцовая электроника - это следующий рубеж для подключенного будущего. Но наши электронные метаданные - это всего лишь один компонент. Нам необходимо разработать другие интегрированные терагерцовые компоненты, чтобы полностью реализовать потенциал этой технологии. Это наше видение и цель".