La maggior parte della luce solare che colpisce la Terra viene assorbita dalle sue superfici, oceani e atmosfera. A causa di questo riscaldamento, la radiazione infrarossa viene emessa costantemente intorno a noi, stimata in milioni di Gigawatt al secondo. Un team KAUST ha ora sviluppato un dispositivo in grado di attingere a questa energia, così come il calore di scarto dei processi industriali, trasformando segnali d'onda quadrilionesi di secondo in elettricità utile.

A differenza dei pannelli solari che sono limitati dalle ore diurne e dalle condizioni meteorologiche, il calore a infrarossi può essere raccolto 24 ore al giorno. Un modo per raggiungere questo obiettivo è trattare i rifiuti o il calore infrarosso come onde elettromagnetiche ad alta frequenza. Utilizzando antenne opportunamente progettate, le onde raccolte vengono inviate a un raddrizzatore, tipicamente un diodo a semiconduttore, che converte i segnali alternati in carica in corrente continua per batterie o dispositivi di alimentazione.

Mettere in pratica questi disegni 'rectenna' è stato difficile. Poiché le emissioni infrarosse hanno lunghezze d'onda molto piccole, hanno bisogno di antenne su micro o nanoscala che non sono facili da fabbricare o testare. Inoltre, le onde infrarosse oscillano migliaia di volte più velocemente di quanto un tipico semiconduttore possa spostare gli elettroni attraverso la sua giunzione. "Non esiste un diodo commerciale al mondo in grado di funzionare a una frequenza così alta, "dice Atif Shamim, capo progetto di KAUST. "Ecco perché ci siamo rivolti al tunneling quantistico".

Dispositivi di tunneling, come diodi metallo-isolante-metallo (MIM), rettificare le onde infrarosse in corrente spostando gli elettroni attraverso una piccola barriera. Poiché questa barriera è sottile solo un nanometro, I diodi MIM possono gestire segnali ad alta frequenza nell'ordine dei femtosecondi. Per generare i campi intensi necessari per il tunneling, il team si è rivolto a un'esclusiva nano-antenna "a forma di papillon" che racchiude il sottile film isolante tra due bracci metallici leggermente sovrapposti.

"La parte più impegnativa è stata la sovrapposizione su scala nanometrica dei due bracci dell'antenna, che richiedeva un allineamento molto preciso, "dice il ricercatore post-dottorato, Gaurav Jayaswal. "Ciò nonostante, combinando trucchi intelligenti con gli strumenti avanzati presso l'impianto di nanofabbricazione di KAUST abbiamo compiuto questo passo".

Scegliendo metalli con diverse funzioni lavorative, il nuovo diodo MIM potrebbe catturare le onde infrarosse con tensione applicata zero, una funzione passiva che accende il dispositivo solo quando necessario. Gli esperimenti con l'esposizione agli infrarossi hanno rivelato che il papillon ha raccolto con successo energia esclusivamente dalla radiazione, e non da effetti termici, come evidenziato da una tensione di uscita dipendente dalla polarizzazione.

"Questo è solo l'inizio, una prova del concetto, ", dice Shamim. "Potremmo avere milioni di tali dispositivi collegati per aumentare la generazione complessiva di elettricità".