Energihøstende design har til formål at omdanne Wi-Fi-signaler til brugbar strøm

Enhver enhed, der udsender et Wi-Fi-signal, udsender også terahertz-bølger - elektromagnetiske bølger med en frekvens et sted mellem mikrobølger og infrarødt lys. Disse højfrekvente strålingsbølger, kendt som "T-stråler, " produceres også af næsten alt, der registrerer en temperatur, inklusive vores egne kroppe og de livløse genstande omkring os.

Terahertz-bølger er gennemgående i vores daglige liv, og hvis den bliver udnyttet, deres koncentrerede kraft kunne potentielt tjene som en alternativ energikilde. Forestille, for eksempel, en mobiltelefontilføjelse, der passivt opsuger omgivende T-stråler og bruger deres energi til at oplade din telefon. Imidlertid, til dato, terahertz-bølger er spildt energi, da der ikke har været nogen praktisk måde at fange og konvertere dem til nogen brugbar form.

Nu er fysikere ved MIT kommet med en plan for en enhed, som de mener ville være i stand til at konvertere omgivende terahertz-bølger til en jævnstrøm, en form for elektricitet, der driver mange husholdningselektronik.

Deres design udnytter det kvantemekaniske, eller atomart opførsel af kulstofmaterialet grafen. De fandt ud af, at ved at kombinere grafen med et andet materiale, I dette tilfælde, bornitrid, elektronerne i grafen skal skævvride deres bevægelse mod en fælles retning. Enhver indkommende terahertz-bølge bør "shuttle" grafens elektroner, som så mange små flyveledere, at strømme gennem materialet i en enkelt retning, som jævnstrøm.

Forskerne har offentliggjort deres resultater i dag i tidsskriftet Videnskabens fremskridt , og arbejder sammen med eksperimentalister for at gøre deres design til en fysisk enhed.

"Vi er omgivet af elektromagnetiske bølger i terahertz-området, " siger hovedforfatter Hiroki Isobe, en postdoc i MIT's Materials Research Laboratory. "Hvis vi kan omdanne den energi til en energikilde, vi kan bruge til dagligdagen, Det ville hjælpe med at løse de energiudfordringer, vi står over for lige nu."

Isobes medforfattere er Liang Fu, Lawrence C. og Sarah W. Biedenharn Karriereudviklingslektor i fysik ved MIT; og Su-yang Xu, en tidligere MIT postdoc, som nu er adjunkt i kemi ved Harvard University.

Bryder grafens symmetri

I løbet af det sidste årti, forskere har ledt efter måder at høste og omdanne omgivende energi til brugbar elektrisk energi. Det har de hovedsageligt gjort gennem ensrettere, enheder, der er designet til at konvertere elektromagnetiske bølger fra deres oscillerende (vekselstrøm) til jævnstrøm.

De fleste ensrettere er designet til at konvertere lavfrekvente bølger såsom radiobølger, ved hjælp af et elektrisk kredsløb med dioder til at generere et elektrisk felt, der kan styre radiobølger gennem enheden som en jævnstrøm. Disse ensrettere virker kun op til en bestemt frekvens, og har ikke været i stand til at rumme terahertz-området.

Nogle få eksperimentelle teknologier, der har været i stand til at konvertere terahertz-bølger til jævnstrøm, gør det kun ved ultrakolde temperaturer - opsætninger, der ville være vanskelige at implementere i praktiske applikationer.

I stedet for at omdanne elektromagnetiske bølger til en jævnstrøm ved at påføre et eksternt elektrisk felt i en enhed, Isobe spekulerede på, om på et kvantemekanisk niveau, et materiales egne elektroner kan induceres til at strømme i én retning, for at styre indkommende terahertz-bølger ind i en jævnstrøm.

Et sådant materiale skal være meget rent, eller fri for urenheder, for at elektronerne i materialet kan strømme igennem uden at sprede uregelmæssigheder i materialet. grafen, han fandt, var det ideelle udgangsmateriale.

At dirigere graphens elektroner til at strømme i én retning, han skulle bryde materialets iboende symmetri, eller hvad fysikere kalder "inversion". Normalt, graphens elektroner føler en lige stor kraft mellem dem, hvilket betyder, at enhver indkommende energi ville sprede elektronerne i alle retninger, symmetrisk. Isobe ledte efter måder at bryde grafens inversion og inducere en asymmetrisk strøm af elektroner som reaktion på indkommende energi.

Ser man litteraturen igennem, han fandt ud af, at andre havde eksperimenteret med grafen ved at placere det ovenpå et lag bornitrid, et lignende bikagegitter lavet af to typer atomer - bor og nitrogen. De fandt ud af, at i denne ordning, kræfterne mellem grafens elektroner blev slået ud af balance:Elektroner tættere på bor følte en vis kraft, mens elektroner tættere på nitrogen oplevede et andet træk. Den overordnede effekt var, hvad fysikere kalder "skæv spredning, "hvor skyer af elektroner skæver deres bevægelse i én retning.

Isobe udviklede en systematisk teoretisk undersøgelse af alle måder, hvorpå elektroner i grafen kan spredes i kombination med et underliggende substrat såsom bornitrid, og hvordan denne elektronspredning ville påvirke eventuelle indkommende elektromagnetiske bølger, især i terahertz-frekvensområdet.

Han fandt ud af, at elektroner blev drevet af indkommende terahertz-bølger til at skæve i én retning, og denne skæve bevægelse genererer en jævnstrøm, hvis grafen var relativt rent. Hvis der fandtes for mange urenheder i grafen, de ville fungere som forhindringer i vejen for elektronskyer, får disse skyer til at sprede sig i alle retninger, i stedet for at flytte som én.

"Med mange urenheder, denne skæve bevægelse ender bare med at svinge, og enhver indkommende terahertz-energi går tabt gennem denne oscillation, " Isobe forklarer. "Så vi vil have en ren prøve for effektivt at få en skæv bevægelse."

En retning

De fandt også ud af, at jo stærkere den indkommende terahertz-energi er, jo mere af den energi kan en enhed konvertere til jævnstrøm. Dette betyder, at enhver enhed, der konverterer T-stråler, også bør omfatte en måde at koncentrere disse bølger på, før de kommer ind i enheden.

Med alt dette i tankerne, forskerne udarbejdede en plan for en terahertz-ensretter, der består af en lille firkant af grafen, der sidder på toppen af ​​et lag bornitrid og er klemt inde i en antenne, der ville opsamle og koncentrere omgivende terahertz-stråling, booste sit signal nok til at konvertere det til en jævnstrøm.

"Det her ville fungere meget som en solcelle, bortset fra et andet frekvensområde, passivt at indsamle og konvertere omgivende energi, " siger Fu.

Holdet har indgivet patent på det nye "højfrekvente rectification" design, og forskerne arbejder sammen med eksperimentelle fysikere ved MIT for at udvikle en fysisk enhed baseret på deres design, som skal kunne arbejde ved stuetemperatur, i forhold til de ultrakolde temperaturer, der kræves for tidligere terahertz ensrettere og detektorer.

"Hvis en enhed fungerer ved stuetemperatur, vi kan bruge det til mange bærbare applikationer, " siger Isobe.

Han forestiller sig, at i den nærmeste fremtid, terahertz ensrettere kan bruges, for eksempel, til trådløst at forsyne implantater i en patients krop, uden at kræve operation for at udskifte et implantats batterier. Sådanne enheder kan også konvertere omgivende Wi-Fi-signaler til at oplade personlig elektronik såsom bærbare computere og mobiltelefoner.

"Vi tager et kvantemateriale med en vis asymmetri på atomskalaen, som nu kan bruges, hvilket åbner op for mange muligheder, " siger Fu.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.