Sinds Nikola Tesla in 1891 elektriciteit in alle richtingen spuwde met zijn spoel, wetenschappers hebben manieren bedacht om elektrische stroom door de lucht te sturen. De droom is om je telefoon of laptop op te laden, of misschien zelfs een medisch hulpmiddel zoals een pacemaker, zonder dat er draden en stekkers nodig zijn. Het lastige is om de elektriciteit het beoogde doel te laten vinden, en ervoor zorgen dat dat doelwit de elektriciteit absorbeert in plaats van het alleen maar terug in de lucht te reflecteren - en dat alles bij voorkeur zonder iemand onderweg in gevaar te brengen.

Tegenwoordig, je kunt een smartphone draadloos opladen door hem binnen een centimeter van een laadstation te plaatsen. Maar bruikbare draadloze energieoverdracht op lange afstand, van de ene kant van een kamer naar de andere of zelfs over een gebouw, is nog een work in progress. De meeste methoden die momenteel in ontwikkeling zijn, omvatten het focussen van smalle energiebundels en het richten op het beoogde doel. Deze methoden hebben enig succes gehad, maar zijn tot nu toe niet erg efficiënt. En het is verontrustend om gefocuste elektromagnetische stralen te hebben die rondvliegen door de lucht.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers aan de Universiteit van Maryland (UMD), in samenwerking met een collega aan de Wesleyan University in Connecticut, hebben een verbeterde techniek ontwikkeld voor draadloze energieoverdrachtstechnologie die een langeafstandstransmissie kan beloven zonder nauw gefocuste en gerichte energiestralen. hun resultaten, die de toepasbaarheid van eerdere technieken vergroten, werden op 17 november gepubliceerd, 2020 in het journaal Natuurcommunicatie .

Het team generaliseerde een concept dat bekend staat als een 'anti-laser'. Bij laseren, één foton veroorzaakt een cascade van vele fotonen van dezelfde kleur die in een coherente straal schieten. In een anti-laser, het omgekeerde gebeurt. In plaats van het aantal fotonen te vergroten, een anti-laser absorbeert coherent en perfect een bundel van vele nauwkeurig afgestemde fotonen. Het is een soort laser die achteruit in de tijd loopt.

Het nieuwe werk, onder leiding van UMD hoogleraar natuurkunde Steven Anlage van het Quantum Materials Center (QMC), laat zien dat het mogelijk is om een ​​coherente perfecte absorber te ontwerpen buiten het oorspronkelijke in de tijd omgedraaide laserframework - een versoepeling van enkele van de belangrijkste beperkingen in eerder werk. In plaats van uit te gaan van gerichte stralen die langs rechte lijnen naar een absorptiedoel gaan, ze kozen een geometrie die wanordelijk was en niet vatbaar was om achteruit in de tijd te worden gereden.

"We wilden dit effect zien in een volledig algemene omgeving waar er geen beperkingen zijn, " zegt Anlage. "We wilden een soort willekeurige, willekeurig, complexe omgeving, en we wilden perfecte absorptie mogelijk maken onder die echt veeleisende omstandigheden. Dat was de aanleiding hiervoor, en we hebben het gedaan."

Anlage en zijn collega's wilden een apparaat maken dat energie kan ontvangen van een meer diffuse bron, iets dat minder straal en meer bad was. Voordat u de draadloze uitdaging aangaat, ze zetten hun gegeneraliseerde anti-laser op als een labyrint van draden waar elektromagnetische golven doorheen kunnen reizen. specifiek, ze gebruikten magnetrons, een veel voorkomende kandidaat voor toepassingen voor krachtoverdracht. Het labyrint bestond uit een stel draden en dozen die doelbewust ongeordend met elkaar verbonden waren. Microgolven die door dit labyrint gaan, raken zo verstrikt dat, zelfs als het mogelijk zou zijn om de tijd terug te draaien, dit zou ze nog steeds niet ontwarren.

Begraven in het midden van dit labyrint was een absorber, het doel om kracht aan te leveren. Het team stuurde microgolven met verschillende frequenties, amplitudes en fasen in het labyrint en gemeten hoe ze werden getransformeerd. Op basis van deze metingen, ze waren in staat om de exacte eigenschappen van invoermicrogolven te berekenen die zouden resulteren in een perfecte vermogensoverdracht naar de absorber. Ze ontdekten dat voor correct gekozen invoermicrogolven, het labyrint absorbeerde een ongekende 99,999% van de kracht die ze erin stuurden. Dit toonde expliciet aan dat coherente perfecte absorptie kan worden bereikt, zelfs zonder een teruglopende laser in de tijd.

Het team zette vervolgens een stap richting draadloze krachtoverbrenging. Ze herhaalden het experiment in een holte, een plaat van messing enkele voeten in elke richting met een vreemd gevormd gat in het midden. De vorm van het gat was zo ontworpen dat de microgolven er op een onvoorspelbare, chaotische manier. Ze plaatsten een krachtabsorbeerder in de holte, en stuurde microgolven naar binnen om rond de open ruimte binnenin te stuiteren. Ze waren in staat om de juiste microgolfcondities te vinden voor coherente perfecte absorptie met een efficiëntie van 99,996%.

Recent werk van een samenwerking van teams in Frankrijk en Oostenrijk toonde ook coherente perfecte absorptie aan in hun eigen ongeordende microgolflabyrint. Echter, hun experiment was niet zo algemeen als het nieuwe werk van Anlage en collega's. In het vorige werk de microgolven die het labyrint binnenkomen, zouden nog steeds worden ontward door een hypothetische omkering van de tijd. Dit lijkt misschien een subtiel onderscheid, maar de auteurs zeggen dat het aantonen dat coherente perfecte absorptie geen enkele vorm van orde in de omgeving vereist, vrijwel overal toepasbaarheid belooft.

Het op deze manier generaliseren van eerdere technieken roept ideeën op die klinken als sciencefiction, zoals het draadloos en op afstand kunnen opladen van elk object in een complexe omgeving, zoals een kantoorgebouw, met bijna perfecte efficiëntie. Dergelijke regelingen zouden vereisen dat de frequentie, amplitude, en fase van de elektrische stroom is op maat afgestemd op specifieke doelen. Maar het zou niet nodig zijn om een ​​krachtige straal te focussen en op de laptop of telefoon te richten - de elektrische golven zelf zouden ontworpen zijn om het gekozen doelwit te vinden.

"Als we een object hebben waaraan we stroom willen leveren, we zullen eerst onze apparatuur gebruiken om enkele eigenschappen van het systeem te meten, " zegt Lei Chen, een afgestudeerde student in elektrische en computertechniek aan de UMD en de hoofdauteur van het papier. "Op basis van die eigenschappen kunnen we de unieke microgolfsignalen voor dit soort systemen krijgen. En het wordt perfect geabsorbeerd door het object. Voor elk uniek object, de signalen zullen anders en speciaal ontworpen zijn."

Hoewel deze techniek veelbelovend is, er moet nog veel gebeuren voor de komst van draadloze en plug-less kantoren. De perfecte absorber hangt in grote mate af van het vermogen dat precies goed is afgestemd op de absorber. Een kleine verandering in de omgeving, zoals het verplaatsen van de doellaptop of het verhogen van de jaloezieën in de kamer, zou een onmiddellijke herafstemming van alle parameters vereisen. Dus, er zou een manier moeten zijn om snel en efficiënt de juiste omstandigheden te vinden voor een perfecte absorptie tijdens de vlucht, zonder al te veel stroom of bandbreedte te gebruiken. Aanvullend, er moet meer worden gedaan om de werkzaamheid en veiligheid van deze techniek in realistische omgevingen te bepalen.

Ook al is het nog geen tijd om al je netsnoeren weg te gooien, coherente perfecte absorptie kan op veel manieren van pas komen. Het is niet alleen algemeen voor elk soort doel, het is ook niet beperkt tot optica of microgolven. "Het is niet gebonden aan één specifieke technologie, " zegt Anlage, "Dit is een heel algemeen golffenomeen. En het feit dat het in microgolven wordt gedaan, is gewoon omdat daar de sterke punten in mijn laboratorium liggen. Maar je zou dit allemaal kunnen doen met akoestiek, je zou dit kunnen doen met materiegolven, je zou dit kunnen doen met koude atomen. Je zou dit in veel kunnen doen, veel verschillende contexten."

Naast Chen en Anlage, Tsampikos Kottos, een professor aan de Wesleyan University, was een co-auteur op het papier.