Що якби ми дізналися, що просто навколо нас знаходиться цілий океан безкоштовної енергії, який не потребує ані дротів, ані розеток, аби нею скористатися? Насправді, так і є: кожен пристрій, що може розповсюджувати сигнал Wi-Fi, також випромінює так звані терагерцові хвилі, які лежать на частоті між мікрохвильовим та інфрачервоним випромінюванням. Такі самі хвилі випромінюють і об’єкти з температурою, вищою за 2 градуси за Кельвіном — тобто, практично будь-що, включно з нашими тілами та предметами навколо нас.

Зараз енергія терагерцового випромінювання ніяк не використовується. Але якщо винайти спосіб збирати її та накопичувати, то людство отримає ще одне джерело альтернативної енергії. І зараз вчені Масачусетського технологічного інституту впритул наблизилися до такої можливості. Очільник команди розробників Хірокі Ісобе (Hiroki Isobe) представив креслення пристрою, що зможе перетворювати терагерцові хвилі з навколишнього середовища на постійний електричний струм, яким уже можна живити звичні нам прилади.

Пристрій використовує квантові властивості матеріалу, що називається графеном (нещодавно ми писали про те, що інша команда вчених навчилася виробляти графен у промислових кількостях). Поєднавши графен із іншим матеріалом, нітридом бору, вчені досягли того, що під впливом терагерцових хвиль електрони в графені починають текти в одному напрямі, як постійний струм.

Зазвичай вони розлітаються в усі боки рівномірно та симетрично під впливом енергії ззовні: аби змусити їх текти в одному напрямі, потрібно було порушити природну симетричну структуру матеріалу. Для цього Ісобе помістив графен над шаром нітриду бору, дуже подібного до графену. Нітрид бору також складається зі схожих на соти граток, але не карбону, а бору та нітрогену. У такому поєднанні електрони графену втрачають рівновагу: ті, що ближчі до бору, зазнають одного впливу, а ті, що до нітрогену, — іншого. Але в результаті під впливом терагерцових хвиль ці «розхитані» електрони течуть в одному напрямі. У фізиці такий ефект відомий як «skew scattering»

Якщо графен достатньо чистий і в ньому немає вкраплень, що перешкоджають руху електронів, то їхній рух генерує звичний нам постійний струм. Чим сильніше терагерцове випромінювання, тим більше енергії можна перетворити на струм, тож будь-який прилад, що користується таким принципом, має також підсилювати хвилі до того, як вони будуть використані графеном.

Команда — сам Ісобе, Лян Фу (Liang Fu) та Су Ян Су (Su-yang Xu) — створила креслення приладу, який складається з маленького квадрату графену, що лежить на шарі нітриду бору, та антени над ним, яка збиратиме та підсилюватиме терагерцове випромінювання.

Попередні експериментальні технології, що намагалися опанувати енергію терагерцових хвиль, були засновані на зовнішньому електричному полі, працювали лише при наднизьких температурах та були непрактичними. Винахід команди Масачусетського університету може працювати і при кімнатній температурі.

«Нас оточують електромагнітні хвилі на терагерцовій частоті», — каже Ісобе. «Якби ми могли перетворити їх на джерело енергії, яку зможемо використовувати в повсякденному житті, це б допомогло нам вирішити енергетичну кризу, з якою ми зараз стикнулися». «Прилад працюватиме подібно до сонячної батареї, просто на інших частотах. Він пасивно збиратиме та перетворюватиме енергію з навколишнього середовища» — додає Лян Фу.

Команда вже запатентувала свій дизайн та зараз працює з іншими фахівцями університету над створенням прототипу.

Текст: Дар’я Цепкова
Фото обкладинки: José-Luis Olivares, MIT