At gå ud over antilaseren muliggør muligvis langtrækkende trådløs strømoverførsel

Lige siden Nikola Tesla udspøjede elektricitet i alle retninger med sin spole tilbage i 1891, forskere har tænkt på måder at sende elektrisk strøm gennem luften på. Drømmen er at oplade din telefon eller laptop, eller måske endda et sundhedsudstyr som en pacemaker, uden behov for ledninger og stik. Den vanskelige bit er at få elektriciteten til at finde det tilsigtede mål, og få det mål til at absorbere elektriciteten i stedet for bare at reflektere det tilbage i luften - alt gerne uden at bringe nogen i fare undervejs.

Disse dage, du kan trådløst oplade en smartphone ved at placere den inden for en tomme fra en ladestation. Men brugbar langtrækkende trådløs strømoverførsel, fra den ene side af et værelse til et andet eller endda på tværs af en bygning, er stadig et igangværende arbejde. De fleste af de metoder, der i øjeblikket er i udvikling, involverer fokusering af smalle stråler af energi og målretning mod deres tilsigtede mål. Disse metoder har haft en vis succes, men er indtil videre ikke særlig effektive. Og at have fokuserede elektromagnetiske stråler, der flyver rundt i luften, er foruroligende.

Nu, et team af forskere ved University of Maryland (UMD), i samarbejde med en kollega ved Wesleyan University i Connecticut, har udviklet en forbedret teknik til trådløs kraftoverførselsteknologi, der kan love langtrækkende kraftoverførsel uden snævert fokuserede og rettede energistråler. Deres resultater, som udvider anvendeligheden af ​​tidligere teknikker, blev offentliggjort den 17. november, 2020 i journalen Naturkommunikation .

Holdet generaliserede et koncept kendt som en "anti-laser." I en laser, en foton udløser en kaskade af mange fotoner i samme farve, der skyder ud i en sammenhængende stråle. I en anti-laser, det omvendte sker. I stedet for at øge antallet af fotoner, en anti-laser absorberer sammenhængende og perfekt en stråle af mange præcist indstillede fotoner. Det er lidt som en laser, der kører baglæns i tiden.

Det nye værk, ledet af UMD professor i fysik Steven Anlage fra Quantum Materials Center (QMC), viser, at det er muligt at designe en sammenhængende perfekt absorber uden for den originale tidsomvendte laserramme-en lempelse af nogle af de vigtigste begrænsninger i tidligere arbejde. I stedet for at antage rettede bjælker, der bevæger sig langs lige linjer ind i et absorptionsmål, de valgte en geometri, der var uordnet og ikke egnet til at blive kørt tilbage i tiden.

"Vi ville se denne effekt i et helt generelt miljø, hvor der ikke er nogen begrænsninger, "siger Anlage." Vi ville have en slags tilfældighed, vilkårlig, komplekst miljø, og vi ønskede at få perfekt absorption til at ske under de virkelig krævende omstændigheder. Det var motivationen til dette, og vi gjorde det."

Anlage og hans kolleger ønskede at skabe en enhed, der kunne modtage energi fra en mere diffus kilde, noget der var mindre bjælke og mere bad. Før du tager fat på den trådløse udfordring, de opstillede deres generaliserede anti-laser som en labyrint af ledninger til elektromagnetiske bølger at rejse igennem. Specifikt, de brugte mikrobølger, en fælles kandidat til magtoverførselsansøgninger. Labyrinten bestod af en flok ledninger og kasser forbundet på en målrettet uordnet måde. Mikrobølger, der går gennem denne labyrint, ville blive så sammenfiltrede, at selvom det var muligt at vende tiden, dette ville stadig ikke løsne dem.

Begravet midt i denne labyrint var en absorber, målet at levere strøm til. Teamet sendte mikrobølger med forskellige frekvenser, amplituder og faser ind i labyrinten og målte, hvordan de blev transformeret. Baseret på disse målinger, de var i stand til at beregne de nøjagtige egenskaber ved input mikrobølger, der ville resultere i perfekt kraftoverførsel til absorberen. De fandt ud af, at for korrekt valgte input mikrobølger, labyrinten absorberede en hidtil uset 99,999% af den strøm, de sendte ind i den. Dette viste eksplicit, at sammenhængende perfekt absorption kan opnås, selv uden en laser kører baglæns i tiden.

Holdet tog derefter et skridt mod trådløs strømoverførsel. De gentog forsøget i et hulrum, en plade af messing flere fod i hver retning med et underligt formet hul i midten. Formen på hullet blev designet, så mikrobølgerne ville hoppe rundt om det på en uforudsigelig, kaotisk måde. De placerede en kraftabsorber inde i hulrummet, og sendte mikrobølger ind for at hoppe rundt i det åbne rum indeni. De var i stand til at finde de rigtige input mikrobølge betingelser for sammenhængende perfekt absorption med 99,996% effektivitet.

Nyere arbejde fra et samarbejde af teams i Frankrig og Østrig viste også sammenhængende perfekt absorption i deres egen uordenede mikrobølge labyrint. Imidlertid, deres eksperiment var ikke helt så generelt som det nye arbejde fra Anlage og kolleger. I det tidligere arbejde, mikrobølgerne, der kom ind i labyrinten, ville stadig være uangribelige af en hypotetisk vending af tiden. Dette kan virke som en subtil forskel, men forfatterne siger, at det viser, at sammenhængende perfekt absorption ikke kræver nogen form for orden i miljøet, lover anvendelighed stort set overalt.

Generalisering af tidligere teknikker på denne måde inviterer til ideer, der lyder som science fiction, som at være i stand til trådløst og eksternt at oplade enhver genstand i et komplekst miljø, såsom en kontorbygning, med næsten perfekt effektivitet. Sådanne ordninger ville kræve, at hyppigheden, amplitude, og fase af den elektriske effekt er tilpasset til bestemte mål. Men det ville ikke være nødvendigt at fokusere en kraftig stråle og rette den mod den bærbare computer eller telefon-selve de elektriske bølger ville være designet til at finde deres valgte mål.

"Hvis vi har et objekt, som vi ønsker at levere strøm til, vi vil først bruge vores udstyr til at måle nogle egenskaber ved systemet, "siger Lei Chen, en kandidatstuderende i elektro- og computeringeniør ved UMD og hovedforfatteren af ​​papiret. "Baseret på disse egenskaber kan vi få de unikke mikrobølgesignaler til denne slags systemer. Og det vil blive perfekt absorberet af objektet. For hvert unikt objekt, signalerne vil være forskellige og specielt designet. "

Selvom denne teknik lover meget, meget mangler at blive gjort før fremkomsten af ​​trådløse kontorer uden stik. Den perfekte absorber afhænger afgørende af, hvilken effekt der er indstillet helt til absorberen. En lille ændring i miljøet - såsom at flytte den bærbare computer eller hæve persiennerne i rummet - ville kræve en øjeblikkelig genjustering af alle parametre. Så, der skulle være en måde til hurtigt og effektivt at finde de rigtige betingelser for perfekt absorption i farten, uden at bruge for meget strøm eller båndbredde. Derudover mere arbejde skal udføres for at bestemme effektiviteten og sikkerheden af ​​denne teknik i realistiske miljøer.

Selvom det endnu ikke er tid til at smide alle dine netledninger, sammenhængende perfekt absorption kan være nyttig på mange måder. Det er ikke kun generelt for enhver form for mål, det er heller ikke begrænset til optik eller mikrobølger. "Det er ikke knyttet til en bestemt teknologi, "siger Anlage, "Dette er et meget generelt bølgefænomen. Og det faktum, at det er gjort i mikrobølger, er bare fordi det er her, styrkerne er i mit laboratorium. Men du kunne gøre alt dette med akustik, du kunne gøre dette med stofbølger, du kunne gøre dette med kolde atomer. Du kunne gøre dette på mange, mange forskellige sammenhænge."

Udover Chen og Anlage, Tsampikos Kottos, professor ved Wesleyan University, var medforfatter på papiret.