Elk apparaat dat een Wi-Fi-signaal uitzendt, zendt ook terahertz-golven uit — elektromagnetische golven met een frequentie ergens tussen microgolven en infrarood licht. Deze hoogfrequente stralingsgolven, bekend als "T-stralen, " worden ook geproduceerd door bijna alles dat een temperatuur registreert, inclusief ons eigen lichaam en de levenloze objecten om ons heen.

Terahertz-golven zijn alomtegenwoordig in ons dagelijks leven, en indien aangewend, hun geconcentreerde kracht zou mogelijk als alternatieve energiebron kunnen dienen. Stel je voor, bijvoorbeeld, een add-on voor mobiele telefoons die passief T-stralen uit de omgeving opzuigt en hun energie gebruikt om je telefoon op te laden. Echter, daten, terahertz-golven zijn verspilde energie, omdat er geen praktische manier is geweest om ze vast te leggen en om te zetten in een bruikbare vorm.

Nu hebben natuurkundigen van het MIT een blauwdruk bedacht voor een apparaat waarvan ze denken dat het in staat zou zijn om omringende terahertz-golven om te zetten in gelijkstroom. een vorm van elektriciteit die veel huishoudelijke elektronica aandrijft.

Hun ontwerp maakt gebruik van de kwantummechanische, of atomair gedrag van het koolstofmateriaal grafeen. Ze ontdekten dat door grafeen te combineren met een ander materiaal, in dit geval, boornitride, de elektronen in grafeen moeten hun beweging in een gemeenschappelijke richting scheeftrekken. Alle binnenkomende terahertz-golven moeten de elektronen van grafeen "pendelen", zoals zoveel kleine luchtverkeersleiders, om in één richting door het materiaal te stromen, als gelijkstroom.

De onderzoekers hebben hun resultaten vandaag gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang , en werken samen met experimentatoren om hun ontwerp om te zetten in een fysiek apparaat.

"We zijn omringd door elektromagnetische golven in het terahertz-bereik, " zegt hoofdauteur Hiroki Isobe, een postdoc in het Materials Research Laboratory van MIT. "Als we die energie kunnen omzetten in een energiebron die we kunnen gebruiken voor het dagelijks leven, dat zou helpen om de energie-uitdagingen waar we nu voor staan ​​aan te pakken."

Isobe's co-auteurs zijn Liang Fu, de Lawrence C. en Sarah W. Biedenharn Career Development Associate Professor of Physics aan het MIT; en Su-yang Xu, een voormalig MIT-postdoc die nu assistent-professor scheikunde is aan de Harvard University.

De symmetrie van grafeen doorbreken

Over de afgelopen tien jaar, wetenschappers hebben gezocht naar manieren om omgevingsenergie te oogsten en om te zetten in bruikbare elektrische energie. Ze hebben dit voornamelijk gedaan door middel van gelijkrichters, apparaten die zijn ontworpen om elektromagnetische golven om te zetten van hun oscillerende (wissel)stroom in gelijkstroom.

De meeste gelijkrichters zijn ontworpen om laagfrequente golven, zoals radiogolven, met behulp van een elektrisch circuit met diodes om een ​​elektrisch veld te genereren dat radiogolven door het apparaat kan sturen als een gelijkstroom. Deze gelijkrichters werken slechts tot een bepaalde frequentie, en hebben het terahertz-assortiment niet kunnen accommoderen.

Een paar experimentele technologieën die terahertz-golven in gelijkstroom hebben kunnen omzetten, doen dit alleen bij ultrakoude temperaturen - opstellingen die moeilijk te implementeren zijn in praktische toepassingen.

In plaats van elektromagnetische golven om te zetten in gelijkstroom door een extern elektrisch veld in een apparaat aan te leggen, Isobe vroeg zich af of, op kwantummechanisch niveau, de eigen elektronen van een materiaal kunnen worden geïnduceerd om in één richting te stromen, om inkomende terahertz-golven in een gelijkstroom te sturen.

Zo'n materiaal zou heel schoon moeten zijn, of vrij van onzuiverheden, zodat de elektronen in het materiaal doorstromen zonder onregelmatigheden in het materiaal te verstrooien. grafeen, hij vond, was het ideale uitgangsmateriaal.

Om de elektronen van grafeen in één richting te laten stromen, hij zou de inherente symmetrie van het materiaal moeten doorbreken, of wat natuurkundigen 'inversie' noemen. Normaal gesproken, de elektronen van grafeen voelen een gelijke kracht tussen hen, wat betekent dat elke inkomende energie de elektronen in alle richtingen zou verstrooien, symmetrisch. Isobe zocht naar manieren om de inversie van grafeen te doorbreken en een asymmetrische stroom van elektronen te induceren als reactie op binnenkomende energie.

Door de literatuur heen kijkend, hij ontdekte dat anderen met grafeen hadden geëxperimenteerd door het bovenop een laag boornitride te plaatsen, een soortgelijk honingraatrooster gemaakt van twee soorten atomen:boor en stikstof. Ze ontdekten dat in deze regeling, de krachten tussen de elektronen van grafeen waren uit balans:elektronen dichter bij boor voelden een bepaalde kracht, terwijl elektronen dichter bij stikstof een andere aantrekkingskracht ervoeren. Het algemene effect was wat natuurkundigen "scheve verstrooiing, " waarin wolken van elektronen hun beweging in één richting scheeftrekken.

Isobe ontwikkelde een systematische theoretische studie van alle manieren waarop elektronen in grafeen kunnen verstrooien in combinatie met een onderliggend substraat zoals boornitride, en hoe deze elektronenverstrooiing eventuele inkomende elektromagnetische golven zou beïnvloeden, vooral in het terahertz-frequentiebereik.

Hij ontdekte dat elektronen werden aangedreven door inkomende terahertz-golven om in één richting te scheeftrekken, en deze scheve beweging genereert een gelijkstroom, als grafeen relatief zuiver zou zijn. Als er te veel onzuiverheden in grafeen zaten, ze zouden fungeren als obstakels op het pad van elektronenwolken, waardoor deze wolken zich in alle richtingen verspreiden, in plaats van als één te bewegen.

"Met veel onzuiverheden, deze scheve beweging eindigt gewoon in oscillatie, en alle binnenkomende terahertz-energie gaat verloren door deze oscillatie, Isobe legt uit. "Dus we willen een schoon monster om effectief een scheve beweging te krijgen."

Een richting

Ze ontdekten ook dat hoe sterker de inkomende terahertz-energie, hoe meer van die energie een apparaat kan omzetten in gelijkstroom. Dit betekent dat elk apparaat dat T-stralen omzet, ook een manier moet hebben om die golven te concentreren voordat ze het apparaat binnenkomen.

Met dit alles in gedachten, de onderzoekers hebben een blauwdruk gemaakt voor een terahertz-gelijkrichter die bestaat uit een klein vierkantje grafeen dat bovenop een laag boornitride zit en is ingeklemd in een antenne die terahertz-straling uit de omgeving zou verzamelen en concentreren, het signaal voldoende versterken om het in een gelijkstroom om te zetten.

"Dit zou heel erg werken als een zonnecel, behalve een ander frequentiebereik, om passief omgevingsenergie op te vangen en om te zetten, ' zegt Fu.

Het team heeft een patent aangevraagd voor het nieuwe "hoogfrequente rectificatie"-ontwerp, en de onderzoekers werken samen met experimentele natuurkundigen van MIT om een ​​fysiek apparaat te ontwikkelen op basis van hun ontwerp, die bij kamertemperatuur moet kunnen werken, versus de ultrakoude temperaturen die nodig waren voor eerdere terahertz-gelijkrichters en -detectoren.

"Als een apparaat op kamertemperatuur werkt, we kunnen het voor veel draagbare toepassingen gebruiken, ' zegt Isobe.

Hij stelt zich voor dat in de nabije toekomst, terahertz-gelijkrichters kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, om implantaten draadloos van stroom te voorzien in het lichaam van een patiënt, zonder dat een operatie nodig is om de batterijen van een implantaat te vervangen. Dergelijke apparaten kunnen ook wifi-omgevingssignalen omzetten om persoonlijke elektronica zoals laptops en mobiele telefoons op te laden.

"We nemen een kwantummateriaal met enige asymmetrie op atomaire schaal, die nu gebruikt kunnen worden, wat veel mogelijkheden biedt, ' zegt Fu.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.