太赫兹波可以给手机充电?被动方式收集和转换环境能量

  珊清        2020-05-07 13:19:26

太赫兹波属于电磁波,其频率介于微波和红外光之间,也称为“T射线”。几乎所有存在温度的物体都会产生这种高频辐射波,例如我们的身体以及周围的无生命物体。


太赫兹波在日常生活中无处不在,如果能够将这些能量汇集起来,或能够作为一种替代能源。例如,想象一下有这么一个手机附件,它可以被动吸收周围的T射线并将之转化成电能为手机充电。但迄今为止,太赫兹波依旧是一种不可利用的能量,因为还没有切实可行的方法将其捕获并转换为任何可用的能量。

太赫兹波可以给手机充电?被动方式收集和转换环境能量

最近,麻省理工学院的物理学家们提出了一种设备的设计蓝图。他们认为这种设备能够将周围的太赫兹波转换成直流电,这种直流电可以为很多家用电子设备供电。


他们的设计利用了量子力学,也就是碳材料石墨烯的原子行为。他们发现石墨烯与另一种材料(氮化硼)结合时,石墨烯中电子的运动将会向一个方向倾斜。就像是存在很多微小的“空中交警”一样,任何入射的太赫兹波都会使石墨烯的电子,向直流电一样沿单一方向流过材料。研究人员在《科学进展》杂志上发表了这一研究结果,并且正在与实验者合作,将他们的设计转变为一种物理设备。


Hiroki Isobe是麻省理工学院材料研究实验室的博士后,也是论文的第一作者。“我们被太赫兹波段的电磁波所包围”,他说,“如果我们能够将这种能量转换成可用于日常生活的能源,将有助于解决目前面临的能源挑战。”


打破石墨烯的对称性


在过去的十年中,科学家一直在寻找各种方法来收集环境中的能量,并将其转换为可用电能。他们主要是通过整流器来实现这一构想的,这种设备能够将电磁波从振荡电流转换为直流电。


大多数整流器是被设计用来转换诸如无线电波之类的低频波,它们利用带有二极管的电路来产生一个电场,可将通过该设备的无线电波转换成直流电。但这些整流器只能在特定频率下工作,并不适用于太赫兹波。少数几种能够将太赫兹波转换为直流电的实验技术只能在超低温度下完成。但在实际应用中,这些要求很难实现。


Isobe没有在设备中施加外部电场将电磁波转换为直流电。他想知道在量子力学层面上,是否可以使得材料自身的电子被诱导向一个方向流动,以此将进入的太赫兹波转换为直流电。为了使材料中的电子流通而又不产生不规则的散射,这种材料必须非常干净,没有杂质。他发现石墨烯正是理想的原材料。


通过查阅文献,他发现其他人将石墨烯放在一层氮化硼层上进行实验,氮化硼是由硼和氮两种的原子构成类似蜂窝状晶格。他们发现,在这种组合结构中,石墨烯电子受到的力不再平衡:靠近硼和氮的电子会感受到不同方向的力。

太赫兹波可以给手机充电?被动方式收集和转换环境能量

在这张示意图中,绿色正方形代表了石墨烯(它在正方形的氮化硼材料上方);红线代表太赫兹波;蓝色三角形代表围绕正方形的天线(用于捕获太赫兹波)。图片来源:麻省理工学院


Isobe进行一项系统的理论研究了在存在氮化硼层的情况下,石墨烯电子散射的所有情况,以及这种电子散射将如何影响传入的电磁波,尤其是入射的太赫兹波。


他发现电子受到入射太赫兹波的驱动会向一个方向倾斜,如果石墨烯相对纯净,这种倾斜运动会产生直流电。如果石墨烯中存在大量杂质,它们将成为电子云运动路径上的阻碍,导致这些电子云向各个方向散射,而不是向同一方向流动。


“由于存在许多杂质,这种倾斜运动最终会产生振荡。任何传入的太赫兹能量都会通过这种振荡而损失掉,”Isobe解释道,“因此,我们希望使用纯净的样品来获得有效的电子倾斜运动。”


一个方向的电流


他们还发现,传入的太赫兹波的能量越强,设备就可以将越多的能量转换直流电。这意味着所有用于转换T射线的设备,还应该含有一个汇聚入射的太赫兹波的方法。考虑到所有的这些因素,研究人员提出了太赫兹波整流器的蓝图。这种整流器包括:一小块的方形石墨烯,被夹在氮化硼层和天线中间。这些天线能够收集并汇聚环境中的太赫兹波,增强它的信号并使其足够转换成直流电。

太赫兹波可以给手机充电?被动方式收集和转换环境能量

Fu说:“除了利用的电磁波频率范围不同外,它非常类似于太阳能电池——以被动方式收集和转换环境能量。”该团队已为新的“高频整流”设计申请了专利,他们正在与麻省理工学院的实验物理学家合作,开发出一种能在室温而不是超低温环境下工作的物理设备。


Isobe说:“如果设备能在室温下工作,我们就可以将它运用到许多便携式的应用中。”他设想在不久的将来,太赫兹波整流器可能会被应用到一些领域,譬如利用无线的方式为患者体内的植入物供电。这一类设备还可以通过转化周围的Wi-Fi信号,为笔记本电脑和手机等个人电子设备充电。Fu说,“我们找到了一种可以使用的、在原子尺度上具有不对称性的量子材料。这带来了大量新的可能性。”

来源:麻省理工学院

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