Varje enhet som skickar ut en Wi-Fi-signal avger också terahertzvågor-elektromagnetiska vågor med en frekvens någonstans mellan mikrovågor och infrarött ljus. Dessa högfrekventa strålningsvågor, känd som "T-strålar, "produceras också av nästan allt som registrerar en temperatur, inklusive våra egna kroppar och de livlösa föremålen runt omkring oss.

Terahertz -vågor är genomgående i våra dagliga liv, och om den utnyttjas, deras koncentrerade kraft kan potentiellt fungera som en alternativ energikälla. Tänka, till exempel, ett mobiltelefontillägg som passivt suger upp omgivande T-strålar och använder sin energi för att ladda din telefon. Dock, hittills, terahertz -vågor är bortkastad energi, eftersom det inte har funnits något praktiskt sätt att fånga och konvertera dem till någon användbar form.

Nu har fysiker vid MIT kommit med en plan för en enhet som de tror skulle kunna omvandla omgivande terahertzvågor till likström, en form av el som driver många hushållselektronik.

Deras design drar fördel av den kvantmekaniska, eller atombeteende för kolmaterialet grafen. De fann att genom att kombinera grafen med ett annat material, I detta fall, bornitrid, elektronerna i grafen bör skeva sin rörelse mot en gemensam riktning. Eventuella inkommande terahertzvågor bör "skicka" grafens elektroner, som så många små flygledare, att flöda genom materialet i en enda riktning, som likström.

Forskarna har publicerat sina resultat idag i tidskriften Vetenskapliga framsteg , och arbetar med experimentalister för att förvandla sin design till en fysisk enhet.

"Vi är omgivna av elektromagnetiska vågor inom terahertz -området, "säger huvudförfattaren Hiroki Isobe, en postdoc i MIT:s materialforskningslaboratorium. "Om vi ​​kan omvandla den energin till en energikälla som vi kan använda för vårt dagliga liv, det skulle hjälpa till att ta itu med de energiutmaningar vi står inför just nu. "

Isobes medförfattare är Liang Fu, Lawrence C. och Sarah W. Biedenharn Docent i karriärutveckling i fysik vid MIT; och Su-yang Xu, en tidigare MIT -postdoktor som nu är assisterande professor i kemi vid Harvard University.

Bryter grafens symmetri

Under det senaste decenniet har forskare har letat efter sätt att skörda och omvandla omgivande energi till användbar elektrisk energi. De har gjort det främst genom likriktare, enheter som är utformade för att omvandla elektromagnetiska vågor från sin oscillerande (växelström) till likström.

De flesta likriktare är utformade för att konvertera lågfrekventa vågor som radiovågor, använda en elektrisk krets med dioder för att generera ett elektriskt fält som kan styra radiovågor genom enheten som en likström. Dessa likriktare fungerar bara upp till en viss frekvens, och har inte kunnat rymma terahertz -sortimentet.

Några experimentella tekniker som har kunnat omvandla terahertzvågor till likström gör det bara vid ultrakylda temperaturer - inställningar som skulle vara svåra att implementera i praktiska tillämpningar.

Istället för att förvandla elektromagnetiska vågor till en likström genom att applicera ett externt elektriskt fält i en enhet, Isobe undrade om, på en kvantmekanisk nivå, ett materialets egna elektroner kan fås att flöda i en riktning, för att styra inkommande terahertzvågor till en likström.

Ett sådant material måste vara mycket rent, eller fri från föroreningar, för att elektronerna i materialet ska strömma igenom utan att sprida av oegentligheter i materialet. Grafen, han hittade, var det idealiska utgångsmaterialet.

För att styra grafens elektroner att flöda i en riktning, han skulle behöva bryta materialets inneboende symmetri, eller vad fysiker kallar "inversion". I vanliga fall, grafens elektroner känner en lika kraft mellan dem, vilket betyder att all inkommande energi skulle sprida elektronerna i alla riktningar, symmetriskt. Isobe letade efter sätt att bryta grafens inversion och inducera ett asymmetriskt flöde av elektroner som svar på inkommande energi.

Tittar igenom litteraturen, han fann att andra hade experimenterat med grafen genom att placera det ovanpå ett lager av bornitrid, ett liknande bikakegitter tillverkat av två typer av atomer - bor och kväve. De fann att i detta arrangemang, krafterna mellan grafens elektroner slogs ur balans:Elektroner närmare bor kände en viss kraft medan elektroner närmare kväve upplevde ett annat drag. Den övergripande effekten var vad fysiker kallar "skev spridning, "där moln av elektroner snedvrider sin rörelse i en riktning.

Isobe utvecklade en systematisk teoretisk studie av alla sätt elektroner i grafen kan spridas i kombination med ett underliggande substrat som bornitrid, och hur denna elektronspridning skulle påverka eventuella inkommande elektromagnetiska vågor, särskilt i terahertz -frekvensområdet.

Han fann att elektroner drevs av inkommande terahertzvågor för att skeva i en riktning, och denna skev rörelse genererar en likström, om grafen var relativt ren. Om det fanns för många föroreningar i grafen, de skulle fungera som hinder på elektronmolnens väg, får dessa moln att spridas i alla riktningar, snarare än att röra sig som en.

"Med många orenheter, denna skeva rörelse hamnar bara i oscillerande, och all inkommande terahertz -energi går förlorad genom denna svängning, "Förklarar Isobe." Så vi vill ha ett rent prov för att effektivt få en sned rörelse. "

En riktning

De fann också att ju starkare inkommande terahertz -energi, desto mer av den energin kan en enhet omvandla till likström. Detta innebär att alla enheter som konverterar T-strålar också bör inkludera ett sätt att koncentrera dessa vågor innan de kommer in i enheten.

Med allt detta i åtanke, forskarna ritade en ritning för en terahertz -likriktare som består av en liten kvadrat av grafen som sitter ovanpå ett lager av bornitrid och är inklämd i en antenn som skulle samla och koncentrera omgivande terahertz -strålning, öka sin signal tillräckligt för att konvertera den till en likström.

"Det här skulle fungera mycket som en solcell, förutom ett annat frekvensområde, att passivt samla in och konvertera omgivande energi, "Säger Fu.

Teamet har inlämnat patent på den nya designen "högfrekvent rättelse", och forskarna arbetar med experimentella fysiker vid MIT för att utveckla en fysisk enhet baserad på deras design, som ska kunna arbeta vid rumstemperatur, kontra de ultrakylda temperaturer som krävs för tidigare terahertz -likriktare och detektorer.

"Om en enhet fungerar vid rumstemperatur, vi kan använda den för många bärbara applikationer, "Säger Isobe.

Han föreställer sig att Inom en snar framtid, terahertz -likriktare kan användas, till exempel, för att trådlöst driva implantat i en patients kropp, utan att kräva operation för att byta implantatets batterier. Sådana enheter kan också konvertera omgivande Wi-Fi-signaler för att ladda upp personlig elektronik som bärbara datorer och mobiltelefoner.

"Vi tar ett kvantmaterial med viss asymmetri i atomskala, som nu kan användas, som öppnar många möjligheter, "Säger Fu.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.