我們是不是厭煩了每天拿著電源線找插座為手機充電？好消息，科學家開發出一種設備，可以將Wi-Fi信號轉換為電能，為手機充電。據美國麻省理工學院（MIT）官網近日報道，該校物理學家們構思出一個藍圖，他們相信有一個裝置可以將周圍環境中的太赫茲波轉化為直流電。

背景

任何發出Wi-Fi信號的裝置也會發出太赫茲波。太赫茲波是一種頻率介于微波與紅外線之間的電磁波。幾乎任何具有溫度的東西，例如我們的身體以及我們周圍無生命的物體，都會產生這些高頻電磁波，也稱為“T射線（T-rays）”。

我們日常生活中，到處都有太赫茲波，如果它們能得到利用，它們高度集中的能量有望成為一個替代的能源。我們可以想象，手機的附加裝置被動吸收環境中的太赫茲波，并利用它們的能量為手機充電。然而，迄今為止，太赫茲波的能量一直都被浪費掉，因為沒有切實可行的方法來采集它們，并將它們轉化為任何可用的形式。

創新

近日，美國麻省理工學院（MIT）的物理學家們構思出一個藍圖，他們相信有一個裝置可以將周圍環境中的太赫茲波轉化為直流電。

他們的設計利用了量子力學，或者說是碳材料石墨烯的原子行為。他們發現，通過將石墨烯與另外一種材料（在這個案例中是氮化硼）結合到一起，石墨烯中的電子運動會向一個共同的方向傾斜。任何入射的太赫茲波都會“穿梭運輸”石墨烯的電子，就像眾多小型空中交通控制器一樣，以直流電的形式從一個方向流過材料。

研究人員們將他們的研究成果發表在《科學進展（Science Advances）》雜志上，并正在與實驗家們合作，將他們的設計轉化為一個物理裝置。

麻省理工學院材料研究實驗室的博士后研究員、論文領導作者 Hiroki Isobe 表示：“我們被太赫茲波范圍內的電磁波包圍著。如果我們可以將那個能量轉化為我們可以日常使用的能源，這將有助于應對我們正在面對的能源挑戰。”

Isobe 的合著者包括：麻省理工學院物理系副教授 Liang Fu、前任麻省理工學院博士后研究員、現任哈佛大學化學系助理教授 Su-yang Xu。

技術

打破石墨烯的對稱

過去十年，科學家們尋找了許多方法，來采集周圍環境中的能量并將它轉化為有用的電能。他們這么做主要是通過整流器，這種裝置可以將電磁波從交流轉化為直流。

大部分的整流器都是用于轉化低頻波例如無線電波，它們采用一個帶二極管的電路來生成一個電場，這個電場可以讓無線電波以直流電的形式通過該裝置。這些整流器只能工作在一個特定的頻率下，不能達到太赫茲波的頻率范圍。

少數實驗技術雖然已經能夠將太赫茲波轉化為直流電，但是必須在超冷的溫度下才能實現，而這種超冷的溫度在實際應用中難以實現。

Isobe 想知道，在量子力學層面，一種材料自己的電子是否可以被誘導向著一個方向流動，將太赫茲波轉化為直流電流，從而取代在一個裝置中施加一個外部電場將電磁波轉化為直流電流的方法。

這種材料必須非常潔凈，或者說無雜質，從而使材料中的電子流過時不會在材料中產生不規則的散射。他發現，石墨烯是理想的原料。

為了引導石墨烯中的電子流向一個方向，他必須打破材料固有的對稱性，或者說是物理學家們所稱的“反演”。通常，石墨烯中的電子在它們之間感受到一種平等的力量，這意味著任何入射的能量都會讓電子沿著所有方向對稱地散射。Isobe 尋找方法以打破石墨烯的“反演”，并引發一個不對稱的電流以響應入射的能量。

他翻閱文獻發現，其他人已經用石墨烯作過實驗，將石墨烯放置在一層氮化硼（由硼和氮兩種原子組成的類似蜂巢的晶格）之上。他們發現，在這種排列中，石墨烯電子之間的力失去了平衡：靠近硼的電子感受到一定的力，而靠近氮的電子感受到一種不同的拖拽。總體的效果正如物理學家們所說的“斜散射（skew scattering）”，在這種機制中，電子云會使它們的運動向一個方向傾斜。

Isobe 對于石墨烯和下層的氮化硼等基底中的電子可能會散射的所有途徑，以及這種電子散射將如何影響任何入射的電磁波，特別是太赫茲頻率范圍的那些，進行了系統的理論研究。

他發現，如果石墨烯相對純凈，電子會被入射的太赫茲波驅使，向一個方向傾斜，這種傾斜運動生成一個直流電流。如果石墨烯中存在太多的雜質。它們會成為電子云移動路徑上的障礙，使這些云向所有的方向散射，而不是向一個方向運動。

Isobe 解釋道：“在許多雜質的情況下，這個傾斜的運動最終會變成振蕩，任何入射的太赫茲能量都會通過這種振蕩而喪失。所以我們想要一種潔凈的樣本，以有效地獲取傾斜的運動。”

一個方向

他們也發現，入射的太赫茲波能量越強，裝置可以轉化為直流電流的能量就越多。這意味著，轉化太赫茲波的任何裝置，應該也包括一種將這些波在進入裝置之前聚集的方法。

考慮到所有這些，研究人員們制定了太赫茲整流器的藍圖，這種整流器由位于一層氮化硼之上的一個石墨烯小方塊組成，像三明治一樣夾在一個天線內，該天線將采集并聚集周圍環境中的太赫茲輻射，把信號放大到足以將其轉化為一個直流電流。

下圖中的原理圖來源于研究人員的論文。其中的綠色方塊代表著位于另一種材料方塊之上的石墨烯。紅色線代表太赫茲波。藍色三角形代表著圍繞著方塊的天線，采集太赫茲波并將這些波聚集至方塊。

Fu 表示：“除了不同的頻率范圍，這非常像一個太陽能電池，被動地采集并轉化周圍環境中的能量。”

價值

團隊為這款新型“高頻整流”設計申請了一項專利，而且研究人員們正在與麻省理工學院的實驗物理學家們合作，開發一款基于他們的設計的物理裝置。相比于之前需要工作在超冷溫度條件下的太赫茲整流器和探測器，這款裝置將能夠工作在室溫條件下。

Isobe 表示：“如果一個裝置工作在室溫條件下，我們就可以在許多便攜式應用中使用它。”

他憧憬著，在不久的未來，太赫茲整流器可以為病人體內的植入物無線充電，而無需手術更換植入物的電池。這樣的裝置也可以轉化周圍環境中的Wi-Fi信號，為個人電子產品例如筆記本電腦和手機充電。

Fu 表示：“我們正在采用一種具有某些原子層面不對稱性的量子材料，這種材料現在能被利用，開辟了許多可能性。”

責任編輯：gt