微型、便捷的太赫兹微芯片可以看穿物体内部

加州理工学院的科学家们建造了世界上第一款指甲盖大小的集成太赫兹扫描仪。

一款新的硅微芯片能够实现以前任何其他硅微芯片都无法做到的事情,即产生和传输太赫兹范围的无线电波。这款微小的芯片运行速度是您智能手机中 CMOS 芯片的 300 倍,未来有一天可用于穿透墙壁、集装箱内部以及检查食品供应。

它可以像上图一样,看到藏在泰迪熊里的刀。据称,它甚至可以测定一块鸡肉的脂肪含量。

太赫兹扫描仪长期以来一直被誉为安检的未来——该频率范围内的电磁波可以穿透其他辐射形式无法穿透的地方,同时又不会产生 X 射线有害的电离辐射。T 射线可以感知每一个分子,因此理论上可以检测非法药物或爆炸物,甚至可以寻找癌细胞。它们可以穿透墙壁和物体内部,因此将成为有用的安检设备。问题在于,扫描仪体积庞大,需要激光器和许多透镜来聚焦光线,更不用说还需要冷却设备来将所有设备保持在工作温度。

因此,电气工程师们一直在尝试使用常见且廉价的制造工艺来构建太赫兹扫描仪,特别是驱动大多数消费设备的互补金属氧化物半导体。今年早些时候,德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员找到了在 CMOS 中构建一种特殊类型的高速二极管的方法,小规模地产生了 T 射线。现在,加州理工学院的一些研究人员更胜一筹,生产出了世界上第一批集成 T 射线阵列。

它能在太赫兹频率下运行本身就是一项突破。没有标准的晶体管能够在该范围内放大无线电信号。硅芯片并非为此设计。为了克服这些限制,电气工程教授 Ali Hajimiri 和博士后 Kaushik Sengupta 将多个晶体管集成到一个阵列中,所有晶体管协同工作。当在正确频率下运行时,晶体管的集体功率可以合并,从而增强信号强度。在加州理工学院的一份新闻稿中,Hajimiri 将其比作一群蚂蚁抬着与一头大象相同的重物。“如今,我们可以制造大量的单个功率不大的晶体管,但当它们组合起来协同工作时,就能完成更多的事情,”他说。

此外,他们还找到了让整个芯片充当天线的方法,集成了几块金属而不是一根导线。(导线在太赫兹频率下无法工作。)结果是一款能够产生和分发 T 射线的芯片级扫描仪。据加州理工学院称,IBM 协助生产了该芯片。Hajimiri 和 Sengupta 在《IEEE 固态电路杂志》12 月号上描述了他们的新芯片。

 

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丽贝卡·博伊尔是一位屡获殊荣的自由撰稿人,她撰写关于天文学、人畜共患病以及介于两者之间的各种主题的文章。她是《大西洋月刊》的特约撰稿人,她的作品经常出现在《大众科学》、《新科学家》、《FiveThirtyEight》、《连线》以及许多其他面向成人和儿童的出版物上。丽贝卡在科罗拉多州长大,离太空更近一英里,现在住在圣路易斯,靠近大陆两条最强大的河流的交汇处。

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