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太赫兹波整流器可以应用到某些领域

日期:2021-3-6 类别: 阅读:1069 (来源:互联网)

大部分整流器都是用来转换像无线电波这样的低频波的,这些低频波由一个带有二极管的电路组成,从而产生能把通过这个器件的无线电波转换成直流电的电场。该装置不使用外加电场来将电磁波转换成直流电。图:麻省理工学院Isobe开展了一项系统的理论研究,在氮化硼层存在的情况下,石墨烯电子散射的所有情况,以及电子散射如何影响进入的电磁波,特别是进入的太赫兹波。

太赫兹波属于电磁波,它的频率介于微波和红外线之间,又称T射线。实际上,任何有温度的物体,如我们的身体和周围的无生命物体,都会产生这种高频辐射波。

如果能把这些能量集中起来,BCV71或者能成为一种替代能源,太赫兹波就会在日常生活中随处可见。举例来说,想象一下,有这样一个手机附件,它能被动地吸收周围的T射线,并将其转换成电能,给手机充电。但是到目前为止,太赫兹波仍然是一种无法利用的能量,因为还没有实用的方法来把它转化成任何可用的能量。麻省理工学院的物理学家最近提出了一份设备设计蓝图。研究人员认为,这种装置能把周围的太赫兹波转换成直流电,从而为许多家庭电子设备提供电力。其设计利用了量子力学,即碳材料石墨烯的原子行为。当石墨烯和另一种材料(氮化硼)结合时,他们发现,石墨烯中的电子运动会朝一个方向倾斜。正如许多微小的“空中交通警察”一样,任何入射的太赫兹波都能使石墨烯的电子,像直流电一样,在一个方向上流动。

研究者们把这些发现发表在《科学进展》杂志上,并与实验人员一起,将他们的设计转变成一种物理装置。伊索比是麻省理工学院材料研究实验室的博士后,也是论文的第一作者。他说:“我们周围都是太赫兹波段的电磁波,如果我们能把这些能量转化为能在日常生活中使用的能源,就能帮助我们应对当前面临的能源挑战。”

破坏石墨烯的对称性质

近十年来,科学家们已经找到了从环境中收集能量并将其转化为可利用电能的方法。它们主要是通过整流器实现的,整流器可以将振荡电流中的电磁波转换成直流电。大部分整流器都是用来转换像无线电波这样的低频波的,这些低频波由一个带有二极管的电路组成,从而产生能把通过这个器件的无线电波转换成直流电的电场。但是,这种整流器只在特定的频率工作,不能用于太赫兹波。只有在超低温条件下,才能实现将太赫兹波转化成直流电的几种实验技术。但是实际上,这些需求是很难满足的。该装置不使用外加电场来将电磁波转换成直流电。在量子力学的层次上,他想知道能否通过诱导材料本身的电子朝一个方向流动,从而把进入的太赫兹波转化成直流电。

要让材料中的电子流动而不产生不规则的散射,就要求材料必须是清洁无杂质的。他发现石墨烯是理想的原料。在查阅文献时,他发现另一些人把石墨烯放在一个氮化硼的薄膜上进行实验,硼和氮的原子组成一个类似于蜂窝状的晶格。研究人员发现,在这种复合结构中,石墨烯电子所受的作用力不再平衡:靠近硼和氮的电子感觉到了不同方向的作用力。

本图中,绿色方块表示石墨烯(位于方块氮化硼材料上方);红线表示太赫兹波;蓝色三角形表示环绕着方块的天线(用来捕捉太赫兹波)。图:麻省理工学院Isobe开展了一项系统的理论研究,在氮化硼层存在的情况下,石墨烯电子散射的所有情况,以及电子散射如何影响进入的电磁波,特别是进入的太赫兹波。他发现,电子受入射太赫兹波的驱使,会朝一个方向倾斜,如果石墨烯比较纯,这个倾斜运动就会产生直流电。若石墨烯中含有大量杂质,则会阻碍电子云的运动路径,导致这些电子云向所有方向散射,而非向同一方向流动。他说:“这种倾斜的运动最终导致了振荡。Isobe解释说:“由于这个振动,输入的任何太赫兹能量都会丢失,所以我们希望用纯样品得到有效的电子倾斜运动。

单向电流

研究人员还发现,输入的太赫兹波能量越大,该装置就能把越多的直流电流转换成能量。这就是说,所有用来转换T射线的设备,也应该包含一种汇聚入射太赫兹波的方法。综合以上因素,研究者们提出了太赫兹波整流器的蓝图。该整流器包括:一个夹在氮化硼层和天线中间的小方块石墨烯。该天线能够在环境中收集和聚集太赫兹波,增强其信号,并使之充分转化为直流电。除了利用不同频率范围的电磁波之外,它与太阳能电池非常相似,可以用来被动地收集和转换环境能源。这个小组已经申请了新的“高频整流”设计的专利,他们正在与麻省理工学院的实验物理学家合作,开发一种物理装置,这种装置可以在室内温度而非超低温环境中工作。

艾索比说:“如果这个装置能在室温下工作,我们就能把它应用到很多便携式应用上。”他认为,在不远的将来,太赫兹波整流器可以应用到某些领域,比如通过无线方式为病人体内的植入提供能量。这种类型的设备也能通过转换周围的Wi-Fi信号给个人电子设备充电,比如笔记本电脑和手机。他说:“我们已经发现了一种量子材料,这种材料可以在原子尺度上使用,而且不对称。这样做有许多新的可能性。