Raziskovalci s Princetona so sestavili drobne čipe v edinstvene programirljive površine in ustvarili ključno komponento za odklepanje komunikacijskega pasu, ki obeta, da bo močno povečal količino podatkov, ki jih lahko prenašajo brezžični sistemi.
Programirljiva površina, imenovana metapovršina, omogoča inženirjem nadzor in usmerjanje prenosov v teraherčnem pasu elektromagnetnega spektra. Terahertz, frekvenčno območje med mikrovalovi in infrardečo svetlobo, lahko prenaša veliko več podatkov kot trenutni brezžični sistemi, ki temeljijo na radijskih valovih. S komunikacijskimi sistemi pete generacije (5G), ki ponujajo 10 do 100-krat hitrejše hitrosti od prejšnje generacije, povpraševanje po pasovni širini narašča. Ob pojavu tehnologij, kot so samovozeči avtomobili in aplikacije z razširjeno resničnostjo, ponuja teraherčni frekvenčni pas inženirjem, ki iščejo načine za povečanje hitrosti prenosa podatkov, novo priložnost.
Da bi izkoristili razširjeni prostor v terahertznem pasu, bodo morali inženirji premagati nekatere izzive in tam nastopi metapovršina. Za razliko od radijskih valov, ki zlahka prehajajo skozi ovire, kot so stene, terahertz najbolje deluje s sorazmerno jasno vidno linijo za prenos. Metapovršinska naprava z zmožnostjo krmiljenja in ostrenja vhodnih teraherčnih valov lahko usmeri prenose v poljubno smer. To bi lahko omogočilo ne samo dinamično preoblikovalna brezžična omrežja, temveč tudi nove tehnologije slikovnega zaznavanja in slikanja z visoko ločljivostjo za naslednje generacije robotike, kiberfizičnih sistemov in industrijske avtomatizacije. Ker je metapovršina zgrajena s standardnimi elementi silicijevega čipa, je poceni in jo je mogoče množično izdelati za postavitev na stavbe, ulične table in druge površine.
“Teraherčni žarek bi bil primerljiv z laserskim kazalcem, današnji oddajniki radijskih valov pa so podobne žarnicam, ki oddajajo svetlobo na vse strani. Programirljiva metapovršina je tista, ki ustvarja vsa možna polja; je najboljša oblika projektorja,” je dejal Kaushik Sengupta, izredni profesor elektrotehnike na Princetonu in vodilni avtor nove študije v poročilu o rezultatih raziskav. Sengupta, katerega raziskave se osredotočajo na integrirane sisteme na nivoju čipov od radijskih valov, na teraherčnih območjih in vse do optičnih frekvenc, je dejal, da nizki proizvodni stroški metapovršine in njena programirljivost pomenijo, da bi lahko bil “glavni dejavnik pri izboljšanju komunikacijske in omrežne zmogljivosti”.
V študiji, objavljeni 14. decembra v Nature Electronics, so raziskovalci iz raziskovalnega laboratorija za integrirane mikro-sisteme Sengupta opisali zasnovo metapovršine, ki vsebuje na stotine programirljivih teraherčnih elementov, vsak od njih pa ima premer manjši od 100 mikrometrov (milijoninke metra) in je visok le 3,4 mikrometra. Izdelani so iz bakrenih plasti in povezani z aktivno elektroniko, ki nihajo skupaj s strukturo. To omogoča prilagoditve njihove geometrije pri hitrosti več milijard-krat na sekundo. Te spremembe, ki jih je mogoče programirati glede na želeno aplikacijo, razdelijo en dohodni teraherčni žarek na več dinamičnih usmerljivih teraherčnih žarkov, ki lahko vzdržujejo vidno polje s sprejemniki.
Raziskovalci Princetona so naročili ulivanje silicijevega čipa za izdelavo metapovršine v obliki ploščic na standardnih silicijevih čipih. Na ta način so raziskovalci pokazali, da je mogoče programirljivo teraherčno metapovršino poceni konfigurirati v prilagodljive nize ploščic. “Ploščice so kot Lego kocke in vsako od njih vse mogoče programirati,” je dejal Sengupta. Kot dokaz koncepta so raziskovalci na Princetonu preizkusili niz ploščic s 576 takšnimi programirljivimi elementi in predstavili nadzor žarka s projeciranjem (nevidnih) teraherčnih hologramov. Ti elementi so razširljivi v večje nize.
Sengupta je dejal, da je možen način vključitve tovrstnih ploščic v urbana okolja v obliki fasade zgradb, ki bi potem delovala kot komponenta komunikacijskega omrežja naslednje generacije.
Daniel Mittleman, profesor inženirstva na univerzi Brown, ki sicer ni sodeloval v študiji, je komentiral, da raziskava predstavlja pomemben korak k komunikaciji na teraherčnem območju.
“To novo delo prikazuje fascinanten pristop, ki je v nasprotju z večino dosedanjih prizadevanj razširljiv v teraherčni obseg valovanja,” je dejal Mittleman. “Ključno pri tem je to, da imamo zdaj v rokah praktične metode aktivnega nadzora valovne fronte, velikosti žarka, njegove smeri in ostale značilnosti teraherčnih žarkov.”
Tudi številne druge tehnološke aplikacije vključujejo prepoznavanje kretenj in slik, prav tako industrijska avtomatizacija in varnost. Druga potencialna aplikacija so avtonomni ali samovozeči avtomobili. Ta vozila zahtevajo natančno zaznavanje in slikovno upodabljanje, da lahko v realnem času zaznajo zunanji svet in v idealnih primerih celo hitreje kot voznik-človek. Pol-avtonomni avtomobili, ki se danes vse pogosteje prodajajo, uporabljajo za zaznavanje pešcev in drugih vozil radarje s frekvenco 77 GHz za upravljanje prilagodljivega tempomata in samodejnega zaviranja v sili. Za popolno avtonomijo vozil brez voznika pa bi avtomobilom izjemno koristilo, če bi s senzorji in kamerami v teraherčnem frekvenčnem pasu bolje videli cesto in ovire, hkrati pa lahko hitreje komunicirali z drugimi vozili.
»Če pogledamo naprej, bo potrebno programirljive metapovršine še naprej razvijati,« je dejal Sengupta, »da jih bomo lahko kot komponente vključili v inovativna omrežja naslednje generacije«.
“Ljudje bi radi opravljali toliko stvari, žal pa s trenutno brezžično tehnologijo vsega tega ni mogoče doseči,” je dejal Sengupta. “Vendar pa smo se s temi novimi metapovršinami za teraherčne frekvence zelo približali njihovemu uresničevanju.”
Poleg Sengupte so med raziskovalci bili tudi Suresh Venkatesh, podoktorski raziskovalni sodelavec Xuyang Lu in podiplomski študent Hooman Saeidi. Njihivo delo so deloma podprli tudi Urad za pomorske raziskave, Urad za znanstvene raziskave letalskih sil in Urad za vojaške raziskave.
Avtor: Adam Hadhazy
2021_293
