能量收集设计旨在将Wi-Fi信号转化为可用功率

诸平

美国麻省理工学院的 Jennifer Chu在当地时间2020年3月30日报道称，麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）的研究人员的有关设计能够使Wi-Fi信号转化为可用功率。因为任何发出Wi-Fi信号的设备也会发出太赫兹波（terahertz Waves, THz Waves），即电磁波，其频率介于微波和红外光之间。这些高频辐射波也被称为“ T射线(T-rays)”，也几乎由任何记录温度的东西产生，包括我们自己的身体和我们周围的无生命物体。可以说，太赫兹波在我们的日常生活中无处不在，如果加以利用，它们的集中功率有可能成为替代能源。例如，想象一下一个手机附件，它可以被动吸收周围的T射线，并利用它们的能量为手机充电。图片图1就是来自美国麻省理工学院利用Wi-Fi为手机充电的照片。

Fig.1 Terahertz waves are pervasive in our daily lives, and if harnessed, their concentrated power could potentially serve as an alternate energy source. Imagine, for instance, a cellphone add-on that passively soaks up ambient T-rays and uses their energy to charge your phone. Credit: José-Luis Olivares

太赫兹波在我们的日常生活中无处不在，如果加以利用，它们的集中功率有可能成为替代能源。例如，想象一下一个手机附件，它可以被动吸收周围的T射线，并利用它们的能量为手机充电(图1所示)。但是，迄今为止，太赫兹波是未加以利用而被浪费的能量，因为还没有实际有效的方法来捕获并将其转换为任何可用形式的能源。

然而，美国麻省理工学院的物理学家们提出了一种设备的蓝图，他们认为这种设备能够将周围的太赫兹波转换为直流电，这种直流电可以为许多家用电子设备供电的一种电能。

他们的设计利用了碳材料石墨烯的量子力学或原子行为。他们发现，通过将石墨烯与另一种材料（在这种情况下为氮化硼）结合，石墨烯中的电子应将其运动向共同的方向倾斜。像许多微小的空中交通管制员一样，任何进入的太赫兹波都应“穿梭”石墨烯的电子，使其作为直流电沿单一方向流经材料。

研究人员2020年3月27日在《科学进展》（Science Advances）杂志上发表了他们的研究结果——Hiroki Isobe, Su-Yang Xu, Liang Fu. High-frequency rectification via chiral Bloch electrons. Science Advances, 27 Mar 2020: Vol. 6, no. 13, eaay2497. DOI: 10.1126/sciadv.aay2497.研究者正在与实验者合作，将他们的设计变成一种物理设备。

麻省理工学院材料研究实验室的博士后,也是上述论文的第一作者Hiroki Isobe说：“我们被太赫兹范围内的电磁波所包围。” “如果我们能够将这种能量转换成可用于日常生活的能源，那将有助于解决我们目前面临的能源挑战。”

Hiroki Isobe的合作者是MIT的Liang Fu（上述论文的通讯作者之一），Lawrence C.和Sarah W. Biedenharn职业发展物理副教授；Su-Yang Xu是前麻省理工学院的博士后，现在是哈佛大学化学系助理教授。

打破石墨烯的对称性

在过去的十年中，科学家一直在寻找各种方法来收集环境能量并将其转换为可用电能。他们主要是通过整流器来实现的，整流器是旨在将电磁波从其振荡（交流）电流转换为直流电的设备。大多数整流器设计为使用带有二极管的电路来转换诸如无线电波之类的低频波，以产生可将无线电波作为直流电流引导通过该设备的电场。这些整流器只能在特定频率下工作，无法适应太赫兹范围。已经出现的几种能够将太赫兹波转换为直流电流的实验技术，其致命弱点就是仅在超冷温度下才能完成，这些设置在实际应用中很难实现。

Hiroki Isobe并没有通过在设备中施加外部电场而将电磁波转换为DC电流，而是想知道是否可以在量子力学水平上感应材料自身的电子向一个方向流动，以便将进入的太赫兹波引导到直流电流。

为了使材料中的电子流过而不会散射掉材料中的不规则性，这种材料必须非常干净或没有杂质。他发现，石墨烯是理想的原料。图2是来自研究人员论文的示意图，它显示了一个绿色正方形，该正方形代表另一种材料正方形上方的石墨烯。红线代表太赫兹波。蓝色三角形代表围绕正方形的天线，以捕获太赫兹波并将此波聚焦到正方形。为了使石墨烯的电子朝一个方向流动，他必须打破材料固有的对称性，也就是物理学家所谓的“反转”。通常，石墨烯的电子在它们之间感觉到相等的力，这意味着任何传入的能量都会使电子对称地向各个方向散射。Hiroki Isobe正在寻找一种方法来打破石墨烯的反转，并响应入射能量诱导电子的不对称流动。

Fig.2 This schematic figure, from the researchers’ paper, shows a green square that represents graphene on top of a square of another material. The red lines represent terahertz waves. The blue triangles represent antenna that surround the square to capture the terahertz waves and focus the waves to the square. Credit: Massachusetts Institute of Technology

通过查阅文献，他发现其他人通过将石墨烯放在氮化硼层上进行了实验，氮化硼是由两种类型的原子（硼和氮）构成的类似蜂窝状晶格。他们发现，在这种排列方式中，石墨烯电子之间的力失去平衡：靠近硼的电子感受到一定的力，而靠近氮的电子经历不同的拉力。整体效果就是物理学家所说的“偏斜散射”，即电子云沿一个方向偏斜其运动。

Hiroki Isobe进行了系统的理论研究，研究了石墨烯中的电子可能与诸如氮化硼之类的下层基板一起散射的所有方式，以及这种电子散射将如何影响任何传入的电磁波，特别是在太赫兹频率范围内。

他发现电子受到入射的太赫兹波的驱动而向一个方向倾斜，如果石墨烯相对纯净，这种倾斜运动会产生直流电流。如果石墨烯中确实存在太多杂质，它们将成为电子云路径的障碍，导致这些云向各个方向散射，而不是作为一个整体移动。

Hiroki Isobe解释说：“由于存在许多杂质，这种偏斜运动最终会振荡，并且任何传入的太赫兹能量都会通过这种振荡而损失掉。” “因此，我们希望干净的样品能够有效地产生倾斜的运动。”

未来的方向

他们还发现，传入的太赫兹能量越强，设备可以转换成直流电流的能量就越多。这意味着任何转换T射线的设备还应包括在这些波进入设备之前对其进行聚光的方法。

考虑到所有这些因素，研究人员为太赫兹整流器制定了一个蓝图，该整流器由一个小正方形的石墨烯组成，该石墨烯位于氮化硼层上方，并夹在天线中，该天线收集并集中环境太赫兹辐射，从而增强其信号足以将其转换为直流电流。

Liang Fu说：“除了不同的频率范围外，这非常类似于太阳能电池，以被动方式收集和转换环境能量。”

该团队已为新的“高频整流”设计申请了专利，研究人员正在与麻省理工学院的实验物理学家合作，根据他们的设计开发一种物理设备，该设备应该能够在室温下工作，而不是以前的太赫兹整流器和探测器所需的超冷温度。

Hiroki Isobe说：“如果设备在室温下工作，我们可以将其用于许多便携式应用。”

他设想在不久的将来，可以使用太赫兹整流器，例如，为患者体内的植入物无线供电，而无需进行手术来更换植入物的电池。此类设备还可以转换周围的Wi-Fi信号，为笔记本电脑和手机等个人电子设备充电。

Liang Fu说：“我们正在采用一种在原子尺度上具有不对称性的量子材料，这种材料现在可以利用，这带来了很多可能性。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Proposed transistor is made of graphene and a two-dimensional superconductor