Para peneliti EPFL telah menemukan pendekatan baru dalam elektronik yang melibatkan rekayasa metastruktur pada skala sub-gelombang. Hal ini dapat meluncurkan generasi baru perangkat komunikasi super cepat untuk pertukaran data massal, dengan aplikasi dalam komunikasi 6G dan seterusnya.
Hingga saat ini, kemampuan untuk membuat perangkat elektronik lebih cepat hanya bergantung pada prinsip sederhana: yaitu dengan mengecilkan transistor dan komponen lainnya. Namun, pendekatan ini akan mencapai batasnya, karena manfaat dari pengecilan tersebut dikompensasi oleh efek merugikan seperti resistansi dan penurunan daya output.
Miniaturisasi Bukan Solusi Yang Layak
Miniaturisasi Konduktor
Elison Matioli dari Power and Wide-band-gap Electronics Research Lab (POWERlab) di EPFL’s School of Engineering menjelaskan bahwa miniaturisasi lebih lanjut bukanlah solusi yang layak untuk meningkatkan kinerja perangkat elektronik. “Artikel-artikel baru terus keluar yang menggambarkan perangkat yang semakin kecil, tetapi dalam kasus bahan yang terbuat dari nitrida galium, perangkat terbaik dalam hal frekuensi telah diterbitkan beberapa tahun yang lalu,” katanya. “Setelah itu, tidak ada yang lebih baik lagi, karena ketika ukuran perangkat diperkecil, kita menghadapi batasan fundamental. Hal ini berlaku terlepas dari bahan yang digunakan.”
Menanggapi tantangan ini, Matioli dan mahasiswa doktoralnya, Mohammad Samizadeh Nikoo, menemukan pendekatan baru dalam elektronik yang dapat mengatasi keterbatasan ini dan memungkinkan kelas baru perangkat terahertz. Alih-alih mengecilkan perangkat mereka, mereka menyusun ulang, terutama dengan cara mengukir kontak terpola yang disebut metastruktur pada jarak sub-gelombang ke semikonduktor yang terbuat dari gallium nitrida dan indium gallium nitrida. Metastruktur ini memungkinkan medan listrik di dalam perangkat untuk dikontrol, menghasilkan sifat luar biasa yang tidak terjadi di alam.
Secara krusial, perangkat ini dapat beroperasi pada frekuensi elektromagnetik pada rentang terahertz (antara 0,3-30 THz) — jauh lebih cepat dari gelombang gigahertz yang digunakan dalam perangkat elektronik saat ini. Oleh karena itu, perangkat tersebut dapat membawa jumlah informasi yang lebih besar untuk sinyal atau periode yang diberikan, memberikan potensi besar untuk aplikasi dalam komunikasi 6G dan seterusnya.
“Memanipulasi medan radiofrekuensi pada skala mikroskopis dapat secara signifikan meningkatkan kinerja perangkat elektronik, tanpa mengandalkan pengecilan agresif,” jelas Samizadeh Nikoo, yang merupakan penulis pertama artikel tentang terobosan ini yang baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal Nature.
Frekuensi Tertinggi & Resistansi Terendah Yang Dicapai
Frekeunsi Tinggi dan Resistansi Rendah
Karena frekuensi terahertz dinilai terlalu cepat untuk diproses oleh perangkat elektronik saat ini, dan terlalu lambat untuk aplikasi optik, rentang ini sering disebut sebagai ‘terahertz gap’. Menggunakan metastruktur sub-wavelength untuk memodulasi gelombang terahertz adalah teknik yang berasal dari dunia optik. Namun, metode yang digunakan POWERlab memungkinkan tingkat kontrol elektronik yang belum pernah terjadi sebelumnya, tidak seperti pendekatan optik dengan menyinari pola yang sudah ada dengan sinar eksternal.
Elison Matioli dari Power and Wide-band-gap Electronics Research Lab (POWERlab) di EPFL School of Engineering menjelaskan bahwa kemampuan untuk mengendalikan frekuensi radio yang dihasilkan berasal dari kombinasi kontak bergaris sub-wavelength dan kontrol saluran perangkat elektronik dengan tegangan yang diterapkan. Ini berarti bahwa efek kolektif di dalam metadevice dapat diubah dengan menginduksi elektronnya atau tidak.
Saat ini, perangkat tercanggih di pasaran mampu mencapai frekuensi hingga 2 THz, sedangkan metadevice dari POWERlab dapat mencapai 20 THz. Demikian juga, perangkat saat ini yang beroperasi di dekat rentang terahertz cenderung rusak pada tegangan di bawah 2 volt, sedangkan metadevice dapat mendukung lebih dari 20 volt. Hal ini memungkinkan transmisi dan modulasi sinyal terahertz dengan daya dan frekuensi yang jauh lebih besar daripada yang ada saat ini.
Solusi Yang Terintegrasi
Solusi Perangkat yang Terintegrasi
Mengendalikan gelombang terahertz menjadi hal sangat penting untuk masa depan telekomunikasi. Kebutuhan data yang semakin meningkat dari teknologi seperti kendaraan otonom dan komunikasi seluler 6G sudah mencapai batas kemampuan perangkat saat ini. “electronic metadevices” yang dikembangkan di POWERlab dapat menjadi dasar bagi perangkat elektronik terahertz yang terintegrasi dengan memproduksi chip frekuensi tinggi yang kompak dan dapat digunakan pada smartphone.
“Teknologi baru ini bisa mengubah masa depan komunikasi super cepat, karena sesuai dengan proses eksisting dalam manufaktur semikonduktor. Kami telah mendemonstrasikan transmisi data hingga 100 gigabit per detik pada frekuensi terahertz, yang sudah 10 kali lebih tinggi dari apa yang kita miliki saat ini dengan 5G,” kata Samizadeh Nikoo.
Untuk mewujudkan potensi dari pendekatan ini, Matioli mengatakan bahwa langkah selanjutnya adalah mengembangkan komponen elektronik lain yang siap untuk diintegrasikan ke dalam sirkuit terahertz.
“Integrated terahertz electronics are the next frontier for a connected future. But our electronic metadevices are just one component. We need to develop other integrated terahertz components to fully realize the potential of this technology. That is our vision and goal.”
“Electronic Metadevices milik kami hanya merupakan satu komponen. Kami perlu mengembangkan komponen terahertz yang terintegrasi lainnya untuk sepenuhnya mewujudkan potensi teknologi ini. Itulah visi dan tujuan kami,” jelas Matioli.
Kesimpulan
Wah menarik ya artikel kali ini. Bahwa kita bisa mengetahui bahwa terdapat studi yang sedang menguji coba dan mencari cara untuk menghasilkan sebuah perangkat elektronik super cepat yang akan sangat berpengaruh untuk komunikasi di masa depan. Kita bersama patut menunggu pengembangan perangkat elektronik dengan sistem seperti yang dijabarkan tersebut.
Referensi
ScienceDaily, https://www.sciencedaily.com/releases/2023/02/230217103932.htm Diakses pada 22 Februari, 2023.
Mohammad Samizadeh Nikoo, Elison Matioli. Electronic metadevices for terahertz applications. Nature, 2023; 614 (7948): 451 DOI: 10.1038/s41586-022-05595-z