Het meeste zonlicht dat op de aarde valt, wordt geabsorbeerd door het oppervlak, oceanen en atmosfeer. Als gevolg van deze opwarming infraroodstraling wordt constant overal om ons heen uitgezonden, naar schatting miljoenen gigawatt per seconde. Een KAUST-team heeft nu een apparaat ontwikkeld dat deze energie kan aanboren, evenals restwarmte van industriële processen, door een quadriljoenste van een seconde golfsignalen om te zetten in bruikbare elektriciteit.

In tegenstelling tot zonnepanelen die beperkt zijn door daglicht en weersomstandigheden, infraroodwarmte kan 24 uur per dag worden geoogst. Een manier om dit te bereiken is om afval of infraroodwarmte te behandelen als hoogfrequente elektromagnetische golven. Met behulp van goed ontworpen antennes, verzamelde golven worden naar een gelijkrichter gestuurd, typisch een halfgeleiderdiode, die wisselsignalen omzet in gelijkstroom voor batterijen of stroomapparaten.

Het was moeilijk om deze 'rectenna'-ontwerpen in de praktijk te brengen. Omdat infraroodemissies zeer kleine golflengten hebben, ze hebben antennes op micro- of nanoschaal nodig die niet gemakkelijk te fabriceren of te testen zijn. Aanvullend, infraroodgolven oscilleren duizenden keren sneller dan een typische halfgeleider elektronen door zijn junctie kan verplaatsen. "Er is geen commerciële diode ter wereld die op zo'n hoge frequentie kan werken, " zegt Atif Shamim, projectleider van KAUST. "Daarom zijn we overgestapt op kwantumtunneling."

Tunneling apparaten, zoals metaal-isolator-metaal (MIM) diodes, rectificeer infraroodgolven in stroom door elektronen door een kleine barrière te bewegen. Aangezien deze barrière slechts een nanometer dun is, MIM-diodes kunnen hoogfrequente signalen verwerken in de orde van femtoseconden. Om de intense velden te genereren die nodig zijn voor tunnelen, het team wendde zich tot een unieke 'vlinderdasvormige' nano-antenne die de dunne isolatorfilm tussen twee enigszins overlappende metalen armen klemt.

"Het meest uitdagende onderdeel was de overlap op nanoschaal van de twee antenne-armen, die een zeer nauwkeurige uitlijning vereiste, " zegt postdoctoraal onderzoeker, Gaurav Jayaswal. "Niettemin, door slimme trucs te combineren met de geavanceerde tools in de nanofabricagefaciliteit van KAUST hebben we deze stap bereikt".

Door te kiezen voor metalen met verschillende werkfuncties, de nieuwe MIM-diode kan de infraroodgolven opvangen zonder aangelegde spanning, een passieve functie die het apparaat alleen inschakelt wanneer dat nodig is. Experimenten met infraroodblootstelling onthulden dat de vlinderdas met succes alleen energie uit de straling oogstte, en niet van thermische effecten, zoals blijkt uit een polarisatie-afhankelijke uitgangsspanning.

"Dit is nog maar het begin - een proof of concept, ", zegt Shamim. "We zouden miljoenen van dergelijke apparaten kunnen aansluiten om de algehele elektriciteitsopwekking te stimuleren."