元器件中的端口定义和电场模式以及电流密度。a，直间隙器件的三维示意图，显示了两个端子与共面波导的集成。端口定义在端子和接地垫之间。在 b，ON 状态和 c，OFF 状态下势垒处的模拟垂直电场（实部）。由于处于 OFF 状态的边缘场，横向耗尽长度被认为是 20 nm。OFF 状态下的场模式不呈现振荡形状。可以看出，静电电压可以控制器件中的电磁相互作用，这是电子元器件中开关机制的基础。半导体通道在 d（ON）状态和 e（OFF）状态下的模拟电流密度（绝对值）。OFF 状态下的电流密度没有任何限制。f，实部和 g，势垒处电流密度的虚部（J z ) 在 ON 状态。输入电流的实部在 ON 状态下完全占主导地位，这使得器件阻抗呈电阻性。h，实部和 i，在 OFF 状态下势垒 ( J z )处电流密度的虚部。输入电流的虚部在关断状态下占主导地位，这使得器件阻抗大部分是电抗性的。图片来源：《自然》（2023 年）。DOI: 10.1038/s41586-022-05595-z
EPFL 研究人员提出了一种新的电子学方法，涉及亚波长尺度的工程元结构。它可以推出用于交换大量数据的下一代超高速设备，并应用于 6G 通信及其他领域。
到目前为止，使电子设备更快的能力归结为一个简单的原则：缩小晶体管和其他组件。但这种方法正在达到其极限，因为缩小的好处被阻力和输出功率降低等不利影响所抵消。
EPFL 工程学院功率和宽带隙电子研究实验室 (POWERlab) 的 Elison Matioli 解释说，因此，进一步小型化并不是提高电子性能的可行解决方案。“新的论文描述了越来越小的设备，但就氮化镓制成的材料而言，几年前就已经发表了频率方面最好的设备，”他说。“在那之后，真的没有什么比这更好的了，因为随着设备尺寸的减小，我们面临着根本性的限制。无论使用何种材料都是如此。”
为了应对这一挑战，马蒂奥利和博士。学生 Mohammad Samizadeh Nikoo 提出了一种新的电子学方法，可以克服这些限制并实现新型太赫兹设备。
他们没有缩小他们的设备，而是重新安排了它，特别是通过在由氮化镓和氮化铟镓制成的半导体上蚀刻亚波长距离的称为元结构的图案化触点。这些超结构允许控制设备内部的电场，产生自然界中不存在的非凡特性。
至关重要的是，该设备可以在太赫兹范围（0.3 到 30 THz 之间）的电磁频率下运行——比当今电子产品中使用的千兆赫兹波快得多。因此，它们可以在给定的信号或周期内携带更多的信息，从而使它们在 6G 通信及以后的应用中具有巨大的应用潜力。
“我们发现，在微观尺度上操纵射频场可以显着提高电子设备的性能，而无需依赖激进的缩小尺度，”Samizadeh Nikoo 解释说，他是最近发表在《自然》杂志上的一篇关于这一突破的文章的第一作者。
记录高频，记录低阻
由于太赫兹频率对于当前的电子设备来说太快而无法管理，而对于光学应用来说太慢，这个范围通常被称为“太赫兹间隙”。使用亚波长超结构来调制太赫兹波是一种来自光学世界的技术。但是 POWERlab 的方法允许前所未有的电子控制程度，这与将外部光束照射到现有图案上的光学方法不同。
“在我们基于电子学的方法中，控制感应射频的能力来自亚波长图案化触点的组合，加上施加电压对电子通道的控制。这意味着我们可以通过改变元器件内部的集体效应诱导电子（或不诱导电子），”Matioli 说。
虽然当今市场上最先进的设备可以达到高达 2 THz 的频率，但 POWERlab 的元设备可以达到 20 THz。同样，如今在太赫兹范围附近运行的设备往往会在低于 2 伏的电压下发生故障，而元设备可以支持超过 20 伏的电压。这使得太赫兹信号的传输和调制能够以比目前更大的功率和频率进行传输和调制。
综合解决方案
正如 Samizadeh Nikoo 所解释的那样，调制太赫兹波对于电信的未来至关重要，因为自动驾驶汽车和 6G 移动通信等技术对数据的不断增长的需求正在迅速达到当今设备的极限。POWERlab 开发的电子元器件可以通过生产已经可以用于智能手机等的紧凑型高频芯片，为集成太赫兹电子产品奠定基础。
“这项新技术可能会改变超高速通信的未来，因为它与半导体制造中的现有工艺兼容。我们已经展示了在太赫兹频率下每秒高达 100 吉比特的数据传输，这已经是 10 倍以上我们今天拥有的 5G，”Samizadeh Nikoo 说。
Matioli 说，为了充分发挥这种方法的潜力，下一步是开发其他电子元件，准备好集成到太赫兹电路中。
“集成太赫兹电子是互联未来的下一个前沿领域。但我们的电子元器件只是一个组件。我们需要开发其他集成太赫兹组件以充分发挥这项技术的潜力。这是我们的愿景和目标。”
编辑：付鹏
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