能量收集設計旨在將高頻電磁波轉化為可用能量

利用太赫茲輻射的設備可能有助於為一些便攜式電子設備供電。

朱珍妮 | 麻省理工學院新聞辦公室

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2020 年 3 月 27 日

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太赫茲波在我們的日常生活中無處不在，如果加以利用，它們的集中能量可能會成為一種替代能源。

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圖片來源：麻省理工學院 José-Luis Olivares

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這張來自研究人員論文的示意圖顯示了一個綠色正方形，表示石墨烯位於另一種材料的正方形頂部。紅線代表太赫茲波。藍色三角形代表圍繞正方形的天線，用於捕獲太赫茲波並將波聚焦到正方形。

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信用：由研究人員提供

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注意：這個故事於 12 月 18 日更新，以澄清 Wi-Fi 信號在微波頻率範圍內，而不是最初報導的太赫茲。文章中描述的設備將轉換一系列電磁頻率的能量，包括太赫茲波和微波，為植入物等電子設備供電。然而，這種能量不足以為手機充電。

太赫茲波是頻率介於微波和紅外光之間的電磁輻射。也稱為“T 射線”，它們幾乎是由任何記錄溫度的物體產生的，包括我們自己的身體和我們周圍的無生命物體。

太赫茲波在我們的日常生活中無處不在，如果加以利用，它們的集中能量可能會成為一種替代能源。然而，迄今為止還沒有實用的方法來捕獲它們並將它們轉換為任何可用的形式。

現在，麻省理工學院的物理學家已經為他們認為能夠將太赫茲波轉換為直流電的設備提出了藍圖，這是一種為許多家用電子設備供電的電力形式。

他們的設計利用了碳材料石墨烯的量子力學或原子行為。他們發現，通過將石墨烯與另一種材料（在這種情況下為氮化硼）結合，石墨烯中的電子應該使它們的運動朝著一個共同的方向傾斜。任何進入的太赫茲波都應該“穿梭”石墨烯的電子，就像許多微型空中交通管制員一樣，以直流電的形式單向流過材料。

研究人員今天在《科學進展》雜誌上發表了他們的研究結果，並正在與實驗家合作，將他們的設計轉變為物理設備。

“我們被電磁波包圍，”主要作者、麻省理工學院材料研究實驗室的博士後 Hiroki Isobe 說。“如果我們能夠將這種能源轉化為我們可以用於日常生活的能源，那將有助於解決我們目前面臨的能源挑戰。”

Isobe 的合著者是麻省理工學院物理學的 Lawrence C. 和 Sarah W. Biedenharn 職業發展副教授梁福；Su-yang Xu，前麻省理工學院博士後，現為哈佛大學化學助理教授。

打破石墨烯的對稱性

在過去的十年中，科學家們一直在尋找收集環境能量並將其轉化為可用電能的方法。他們主要通過整流器來做到這一點，整流器旨在將電磁波從其振盪（交流）電流轉換為直流電。

大多數整流器設計用於轉換無線電波等低頻波，使用帶有二極管的電路產生電場，該電場可以引導無線電波作為直流電流通過設備。這些整流器只能工作到一定的頻率，並不能適應太赫茲範圍。

一些能夠將太赫茲波轉換為直流電流的實驗技術只能在超冷溫度下才能做到這一點——這些設置在實際應用中很難實現。

Isobe 不是通過在設備中施加外部電場將電磁波變成直流電流，而是想知道，在量子力學水平上，材料自身的電子是否可以被誘導向一個方向流動，以引導傳入的太赫茲波進入直流電流。

這種材料必須非常乾淨或不含雜質，以便材料中的電子流過而不會散射材料中的不規則性。他發現，石墨烯是理想的起始材料。

為了引導石墨烯的電子向一個方向流動，他必須打破材料固有的對稱性，或者物理學家所說的“反轉”。通常，石墨烯的電子在它們之間感受到相等的力，這意味著任何傳入的能量都會將電子對稱地向各個方向散射。Isobe 尋找打破石墨烯反轉並誘導不對稱電子流以響應傳入能量的方法。

通過查閱文獻，他發現其他人通過將石墨烯放置在氮化硼層上進行了實驗，氮化硼層是一種由硼和氮兩種原子組成的類似蜂窩晶格。他們發現，在這種排列中，石墨烯電子之間的力被打破了平衡：靠近硼的電子感受到了一定的力，而靠近氮的電子則感受到了不同的拉力。整體效應就是物理學家所說的“偏斜散射”，即電子云使它們的運動向一個方向傾斜。

Isobe 對石墨烯中的電子可能與氮化硼等底層基板發生散射的所有方式進行了系統的理論研究，以及這種電子散射將如何影響任何傳入的電磁波，特別是在太赫茲頻率範圍內。

他發現電子被傳入的太赫茲波驅動向一個方向傾斜，如果石墨烯相對純淨，這種傾斜運動會產生直流電流。如果石墨烯中確實存在過多的雜質，它們會成為電子云路徑的障礙，導致這些雲向各個方向散射，而不是一體移動。

“由於有許多雜質，這種傾斜運動最終會發生振盪，任何傳入的太赫茲能量都會通過這種振盪而丟失，”Isobe 解釋說。“所以我們想要一個乾淨的樣本來有效地獲得一個傾斜的運動。”

一個方向

他們還發現，傳入的太赫茲能量越強，設備可以將更多的能量轉換為直流電流。這意味著任何轉換 T 射線的設備還應該包括一種在這些波進入設備之前集中這些波的方法。

考慮到這一切，研究人員繪製了太赫茲整流器的藍圖，該整流器由位於氮化硼層頂部的一小塊石墨烯組成，並夾在一個天線中，該天線將收集和集中環境太赫茲輻射，增強其信號足以將其轉換為直流電流。

“這將非常像太陽能電池，除了不同的頻率範圍，被動收集和轉換環境能量，”傅說。

該團隊已經為新的“高頻整流”設計申請了專利，研究人員正在與麻省理工學院的實驗物理學家合作，根據他們的設計開發一種物理設備，該設備應該能夠在室溫下工作，而不是在超冷環境下工作。以前的太赫茲整流器和探測器所需的溫度。

“如果設備在室溫下工作，我們可以將它用於許多便攜式應用，”Isobe 說。

他設想，在不久的將來，太赫茲整流器可以用於例如為患者體內的植入物無線供電，而無需通過手術來更換植入物的電池。

“我們正在採用一種在原子尺度上具有一些不對稱性的量子材料，現在可以利用它，這開闢了很多可能性，”傅說。

這項研究部分由美國陸軍研究實驗室和美國陸軍研究辦公室通過士兵納米技術研究所 (ISN) 資助。

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新聞報導

流行力學

《大眾力學》記者考特尼·林德（Courtney Linder）寫道，麻省理工學院的研究人員已經開發出一種設備設計，可以將高頻四赫茲波轉換為直流電。未來，研究人員希望這樣的設備“可以用來為人體內的植入物供電，這意味著不再需要通過手術來更換電池。”

通俗力學全文 →

新聞周刊

新聞周刊記者 Jason Murdock 寫道，麻省理工學院的研究人員已經為一種可以將高頻太赫茲波轉換為可用能量的設備開發了藍圖。“理論上，通過吸收周圍的 T 波並使用它們通過附加組件為設備充電，能量可以用來為手機供電，”默多克寫道。