Сотовый телефон, который видит сквозь стены

Счёт времени идет на секунды. Секретный агент знает, что бомба где-то рядом. Он заворачивает за угол, замечает кучу подозрительных коробок в переулке и достаёт мобильный телефон. Сканирует тару, и её содержимое появляется на экране. В самый последний момент удобное приложение на смартфоне показывает, где спрятано взрывное устройство. Агент – герой, мир на сегодня спасён.

Фантастика говорите? На самом деле это  - реальная возможность, благодаря крошечным недорогим микросхемам на кремнии, разработанным Хаджимири и Сенгуптой, инженерами-электриками из Калифорнийского технологического института. Чипы генерируют и излучают высокочастотные электромагнитные волны так называемого терагерцевого (ТГц) диапазона, который расположен в почти неиспользуемой области электромагнитного спектра между микроволновым и дальним ИК-излучением.  В отличие от рентгеновских лучей эти волны могут проникать во множество материалов без ионизирующих повреждений.

При использовании в портативных устройствах перед новыми микросхемами открывается  широкий спектр применения в различных областях: от национальной безопасности и беспроводной связи до медицины и даже бесконтактных игр. Возможно, в будущем разработка позволит реализовать неинвазивную диагностику рака и  ряд других приложений.

«На основе всё той же недорогой технологии интегральных схем,  используемой для изготовления микрочипов в наших сотовых телефонах и ноутбуках сегодня, мы создали кремниевый чип со скоростью в 300 раз большей», –  говорит Али Хаджимири, профессор электротехники Калифорнийского технологического института. «Эти чипы станут основой нового поколения универсальных датчиков».

Исследователи уже давно оценили потенциал терагерцевого диапазона частот (от 0,3 до 3 ТГц) для сканирования и обработки изображений. Эти электромагнитные волны легко проникают сквозь упаковочные материалы и предоставляют детальное изображение в высоком разрешении, а также могут обнаруживать химические отпечатки пальцев от фармацевтических препаратов, биологического оружия, наркотиков или взрывчатых веществ. Тем не менее, в большинство существующих терагерцевых систем входят громоздкие и дорогие лазерные установки, для работы которых иногда требуются исключительно низкие температуры. Потенциал терагерцевых изображений и сканирования остаётся неиспользованным из-за отсутствия компактных, недорогих технологий, способных работать в этом диапазоне частот.

Чтобы, наконец, раскрыть возможности терагерцевых волн, Хаджимири и Сенгупта использовали металло-оксидные полупроводники, или CMOS-технологию, широко применяемую для изготовления микрочипов в обычных электронных устройствах. В результате были получены кремниевые чипы с полностью интегрированными функциональными возможностями, работающие на терагерцевых частотах, но при этом умещающиеся на кончике пальца.

Новые чипы могут похвастать в тысячу раз более мощным сигналом, чем существующие решения. Излучаемый терагерцевый сигнал можно динамически запрограммировать,  чтобы нацелить в определенном направлении. Таким образом, мы получаем первую в мире систему интегрированных терагерцевых сканирующих датчиков.

Хаджимири и Сенгупте пришлось преодолеть ряд препятствий, чтобы приспособить CMOS-технологии. Прежде всего, кремниевые чипы просто не предназначены для работы на терагерцевых частотах: каждый транзистор имеет частоту, известную как частота среза, выше которого он не усиливает сигнал, и ни один из стандартных транзисторов не может усиливать сигналы в терагерцевом диапазоне.

Чтобы обойти проблему частоты среза, исследователи использовали систему из множества транзисторов, работающих в унисон. Если несколько элементов срабатывают в нужное время в нужном диапазоне частот, их выходной коллективный сигнал можно объединить и усилить.

«Традиционно технологии, работающие на очень высоких частотах, использовали громоздкие источники энергии. Представьте себе, что это – слоны»  - говорит Хаджимири. «А теперь мы соединяем очень большое количество транзисторов, которые по отдельности не очень мощные, но когда объединяются и работают в унисон, способны на многое. Если эти элементы синхронизировать, то подобно армии муравьев, они смогут делать всё, что делает слон, и даже больше».

Исследователи также придумали способ передачи полученного терагерцевого сигнала. На таких высоких частотах использование проводов невозможно, а традиционные антенны в масштабах микрочипов являются неэффективными. Тогда они предложили превратить весь кремниевый чип в антенну. Если распределить много маленьких сегментов металла на чипе, ими можно управлять в определенные моменты времени и совместно излучать мощный коллективный сигнал.

«Нам пришлось отступить назад и задать себе вопрос: «А нельзя ли это сделать по-другому?»,  - говорит Сенгупта. – «Наши чипы – пример инноваций, воплощение которых возможно, если размыть перегородки между традиционными представлениями об интегральных схемах, электромагнетизме, антеннах и прикладных науках. Это – холистический подход к решению».