Ända sedan Nikola Tesla spydde ut elektricitet i alla riktningar med sin spole 1891, forskare har funderat på sätt att skicka elektrisk kraft genom luften. Drömmen är att ladda din telefon eller laptop, eller kanske till och med en sjukvårdsenhet som en pacemaker, utan behov av sladdar och pluggar. Det knepiga är att få elektriciteten att hitta sitt avsedda mål, och få det målet att absorbera elektriciteten istället för att bara reflektera den tillbaka i luften – allt helst utan att äventyra någon på vägen.

Dessa dagar, du kan ladda en smartphone trådlöst genom att placera den inom en tum från en laddstation. Men användbar trådlös kraftöverföring på lång räckvidd, från en sida av ett rum till en annan eller till och med över en byggnad, är fortfarande ett pågående arbete. De flesta av de metoder som för närvarande utvecklas innebär att fokusera smala strålar av energi och rikta dem mot deras avsedda mål. Dessa metoder har haft viss framgång, men är än så länge inte särskilt effektiva. Och att ha fokuserade elektromagnetiska strålar som flyger runt genom luften är oroande.

Nu, ett team av forskare vid University of Maryland (UMD), i samarbete med en kollega vid Wesleyan University i Connecticut, har utvecklat en förbättrad teknik för trådlös kraftöverföringsteknik som kan lova kraftöverföring på lång räckvidd utan snävt fokuserade och riktade energistrålar. Deras resultat, som vidgar användbarheten av tidigare tekniker, publicerades 17 november, 2020 i tidningen Naturkommunikation .

Teamet generaliserade ett koncept som kallas en "anti-laser". I en laser, en foton utlöser en kaskad av många fotoner med samma färg som skjuter ut i en koherent stråle. I en anti-laser, det omvända händer. Istället för att öka antalet fotoner, en anti-laser absorberar koherent och perfekt en stråle av många exakt inställda fotoner. Det är ungefär som en laser som springer bakåt i tiden.

Det nya verket, ledd av UMD professor i fysik Steven Anlage från Quantum Materials Center (QMC), visar att det är möjligt att designa en sammanhängande perfekt absorbator utanför det ursprungliga tidsomvända laserramverket - en uppmjukning av några av de viktigaste begränsningarna i tidigare arbete. Istället för att anta riktade strålar som rör sig längs raka linjer in i ett absorptionsmål, de valde en geometri som var oordnad och som inte kunde köras bakåt i tiden.

"Vi ville se den här effekten i en helt allmän miljö där det inte finns några begränsningar, "säger Anlage." Vi ville ha ett slags slumpmässigt, slumpmässig, komplex miljö, och vi ville få perfekt absorption att hända under de riktigt krävande omständigheterna. Det var motivationen till detta, och vi gjorde det."

Anlage och hans kollegor ville skapa en enhet som kunde ta emot energi från en mer diffus källa, något som var mindre stråle och mer bad. Innan du tar dig an den trådlösa utmaningen, de satte upp sin generaliserade anti-laser som en labyrint av ledningar för elektromagnetiska vågor att färdas genom. Specifikt, de använde mikrovågor, en vanlig kandidat för kraftöverföringstillämpningar. Labyrinten bestod av ett gäng sladdar och lådor sammankopplade på ett målmedvetet oordnat sätt. Mikrovågor som går genom den här labyrinten skulle bli så trassliga att även om det var möjligt att vända tiden, detta skulle fortfarande inte reda ut dem.

Begravd mitt i denna labyrint låg en absorbator, målet att leverera kraft till. Teamet skickade mikrovågor med olika frekvenser, amplituder och faser in i labyrinten och mätte hur de omvandlades. Baserat på dessa mätningar, de kunde beräkna de exakta egenskaperna hos ingående mikrovågor som skulle resultera i perfekt kraftöverföring till absorbatorn. De fann att för korrekt valda ingångsmikrovågor, labyrinten absorberade en aldrig tidigare skådad 99,999% av kraften de skickade in i den. Detta visade uttryckligen att koherent perfekt absorption kan uppnås även utan en laserkörning bakåt i tiden.

Teamet tog sedan ett steg mot trådlös kraftöverföring. De upprepade experimentet i en hålighet, en platta av mässing flera fot åt ​​varje håll med ett konstigt format hål i mitten. Formen på hålet utformades så att mikrovågorna skulle studsa runt det på ett oförutsägbart sätt. kaotiskt sätt. De placerade en kraftdämpare inuti kaviteten, och skickade in mikrovågor för att studsa runt det öppna utrymmet inuti. De kunde hitta rätt ingångsmikrovågsförhållanden för koherent perfekt absorption med 99,996 % effektivitet.

Nyligen utfört arbete av ett samarbete mellan team i Frankrike och Österrike visade också på en sammanhängande perfekt absorption i deras egen oordnade mikrovågslabyrint. Dock, deras experiment var inte riktigt lika allmänt som det nya arbetet från Anlage och kollegor. I det tidigare arbetet, Mikrovågorna som kommer in i labyrinten skulle fortfarande vara otrevliga av en hypotetisk vändning av tiden. Detta kan tyckas vara en subtil skillnad, men författarna säger att visa att sammanhängande perfekt absorption inte kräver någon form av ordning i miljön lovar tillämpbarhet praktiskt taget var som helst.

Att generalisera tidigare tekniker på detta sätt bjuder in idéer som låter som science fiction, som att trådlöst och på distans kunna ladda vilket föremål som helst i en komplex miljö, som en kontorsbyggnad, med nästan perfekt effektivitet. Sådana system skulle kräva att frekvensen, amplitud, och fasen av den elektriska kraften anpassas till specifika mål. Men det skulle inte finnas något behov av att fokusera en kraftfull stråle och rikta den mot den bärbara datorn eller telefonen – de elektriska vågorna själva skulle utformas för att hitta sitt valda mål.

"Om vi ​​har ett objekt som vi vill leverera kraft till, vi kommer först att använda vår utrustning för att mäta några egenskaper hos systemet, säger Lei Chen, en doktorand i el- och datateknik vid UMD och huvudförfattaren till uppsatsen. "Baserat på dessa egenskaper kan vi få de unika mikrovågssignalerna för den här typen av system. Och det kommer att absorberas perfekt av föremålet. För varje unikt föremål, signalerna kommer att vara annorlunda och specialdesignade."

Även om denna teknik visar mycket lovande, mycket återstår att göra innan tillkomsten av trådlösa och plug-less kontor. Den perfekta absorbenten beror mycket på att kraften justeras rätt för absorbatorn. En liten förändring i miljön – som att flytta målbärbar dator eller höja persiennerna i rummet – skulle kräva en omedelbar omjustering av alla parametrar. Så, det skulle behöva finnas ett sätt att snabbt och effektivt hitta de rätta förutsättningarna för perfekt absorption i farten, utan att använda för mycket ström eller bandbredd. Dessutom, mer arbete måste göras för att bestämma effektiviteten och säkerheten för denna teknik i realistiska miljöer.

Även om det ännu inte är dags att kasta alla dina nätkablar, koherent perfekt absorption kan komma till nytta på många sätt. Det är inte bara allmänt för alla typer av mål, den är inte heller begränsad till optik eller mikrovågor. "Det är inte förknippat med en specifik teknik, säger Anlage, "Det här är ett mycket allmänt vågfenomen. Och det faktum att det görs i mikrovågor är bara för att det är där styrkorna finns i mitt labb. Men du kan göra allt detta med akustik, du kan göra det här med materiavågor, du kan göra detta med kalla atomer. Du kan göra detta på många, många olika sammanhang."

Förutom Chen och Anlage, Tsampikos Kottos, professor vid Wesleyan University, var medförfattare på tidningen.