Qualsiasi dispositivo che invia un segnale Wi-Fi emette anche onde terahertz, onde elettromagnetiche con una frequenza a metà tra le microonde e la luce infrarossa. Queste onde di radiazione ad alta frequenza, noto come "raggi T, " sono anche prodotti da quasi tutto ciò che registra una temperatura, compresi i nostri corpi e gli oggetti inanimati che ci circondano.

Le onde terahertz sono pervasive nella nostra vita quotidiana, e se imbrigliato, il loro potere concentrato potrebbe potenzialmente servire come fonte di energia alternativa. Immaginare, ad esempio, un componente aggiuntivo del cellulare che assorbe passivamente i raggi T ambientali e utilizza la loro energia per caricare il telefono. Però, ad oggi, le onde terahertz sono energia sprecata, poiché non esisteva un modo pratico per catturarli e convertirli in qualsiasi forma utilizzabile.

Ora i fisici del MIT hanno ideato un progetto per un dispositivo che credono sia in grado di convertire le onde terahertz ambientali in una corrente continua, una forma di elettricità che alimenta molti dispositivi elettronici domestici.

Il loro design sfrutta la meccanica quantistica, o comportamento atomico del materiale carbonioso grafene. Hanno scoperto che combinando il grafene con un altro materiale, in questo caso, nitruro di boro, gli elettroni nel grafene dovrebbero deviare il loro movimento verso una direzione comune. Qualsiasi onda terahertz in arrivo dovrebbe "spostare" gli elettroni del grafene, come tanti piccoli controllori del traffico aereo, fluire attraverso il materiale in un'unica direzione, come corrente continua.

I ricercatori hanno pubblicato oggi i loro risultati sulla rivista Progressi scientifici , e stanno lavorando con gli sperimentatori per trasformare il loro design in un dispositivo fisico.

"Siamo circondati da onde elettromagnetiche nella gamma dei terahertz, ", afferma l'autore principale Hiroki Isobe, un postdoc nel laboratorio di ricerca sui materiali del MIT. "Se riusciamo a convertire quell'energia in una fonte di energia che possiamo usare per la vita quotidiana, ciò aiuterebbe ad affrontare le sfide energetiche che stiamo affrontando in questo momento".

I coautori di Isobe sono Liang Fu, il Professore Associato di Fisica Lawrence C. e Sarah W. Biedenharn per lo sviluppo della carriera al MIT; e Su-yang Xu, un ex postdoc del MIT che ora è assistente professore di chimica all'Università di Harvard.

Rompere la simmetria del grafene

Nell'ultima decade, gli scienziati hanno cercato modi per raccogliere e convertire l'energia ambientale in energia elettrica utilizzabile. Lo hanno fatto principalmente attraverso raddrizzatori, dispositivi progettati per convertire le onde elettromagnetiche dalla loro corrente oscillante (alternata) in corrente continua.

La maggior parte dei raddrizzatori è progettata per convertire onde a bassa frequenza come onde radio, utilizzando un circuito elettrico con diodi per generare un campo elettrico in grado di indirizzare le onde radio attraverso il dispositivo come corrente continua. Questi raddrizzatori funzionano solo fino a una certa frequenza, e non sono stati in grado di ospitare la gamma terahertz.

Alcune tecnologie sperimentali che sono state in grado di convertire onde terahertz in corrente continua lo fanno solo a temperature ultrafredde, configurazioni che sarebbero difficili da implementare in applicazioni pratiche.

Invece di trasformare le onde elettromagnetiche in una corrente continua applicando un campo elettrico esterno in un dispositivo, Isobe si chiedeva se, a livello di meccanica quantistica, gli elettroni di un materiale potrebbero essere indotti a fluire in una direzione, per indirizzare le onde terahertz in ingresso in una corrente continua.

Tale materiale dovrebbe essere molto pulito, o privo di impurità, in modo che gli elettroni nel materiale fluiscano senza disperdere irregolarità nel materiale. Grafene, egli trovò, era il materiale di partenza ideale.

Per dirigere gli elettroni del grafene a fluire in una direzione, avrebbe dovuto rompere la simmetria intrinseca del materiale, o quella che i fisici chiamano "inversione". Normalmente, gli elettroni del grafene sentono una forza uguale tra loro, il che significa che qualsiasi energia in entrata disperderebbe gli elettroni in tutte le direzioni, simmetricamente. Isobe ha cercato modi per interrompere l'inversione del grafene e indurre un flusso asimmetrico di elettroni in risposta all'energia in ingresso.

Sfogliando la letteratura, scoprì che altri avevano sperimentato il grafene posizionandolo sopra uno strato di nitruro di boro, un reticolo simile a nido d'ape composto da due tipi di atomi:boro e azoto. Hanno scoperto che in questa disposizione, le forze tra gli elettroni del grafene sono state sbilanciate:gli elettroni più vicini al boro hanno sentito una certa forza mentre gli elettroni più vicini all'azoto hanno sperimentato un'attrazione diversa. L'effetto complessivo è stato quello che i fisici chiamano "dispersione sghemba, " in cui le nuvole di elettroni deviano il loro movimento in una direzione.

Isobe ha sviluppato uno studio teorico sistematico di tutti i modi in cui gli elettroni nel grafene potrebbero diffondersi in combinazione con un substrato sottostante come il nitruro di boro, e come questa dispersione di elettroni influenzerebbe le onde elettromagnetiche in arrivo, in particolare nella gamma di frequenze terahertz.

Ha scoperto che gli elettroni sono stati guidati da onde terahertz in arrivo per inclinarsi in una direzione, e questo movimento obliquo genera una corrente continua, se il grafene fosse relativamente puro. Se esistessero troppe impurità nel grafene, fungerebbero da ostacoli nel percorso delle nuvole di elettroni, facendo sì che queste nuvole si disperdano in tutte le direzioni, piuttosto che muoversi come uno.

"Con molte impurità, questo movimento obliquo finisce per oscillare, e qualsiasi energia terahertz in entrata viene persa attraverso questa oscillazione, " Spiega Isobe. "Quindi vogliamo un campione pulito per ottenere efficacemente un movimento obliquo".

Una direzione

Hanno anche scoperto che più forte è l'energia terahertz in entrata, più di quell'energia un dispositivo può convertire in corrente continua. Ciò significa che qualsiasi dispositivo che converte i raggi T dovrebbe includere anche un modo per concentrare quelle onde prima che entrino nel dispositivo.

Con tutto questo in mente, i ricercatori hanno elaborato un progetto per un raddrizzatore terahertz che consiste in un piccolo quadrato di grafene che si trova sopra uno strato di nitruro di boro ed è inserito all'interno di un'antenna che raccoglierebbe e concentrerebbe la radiazione terahertz ambientale, amplificando il suo segnale abbastanza da convertirlo in una corrente continua.

"Funzionerebbe molto come una cella solare, ad eccezione di una diversa gamma di frequenza, raccogliere e convertire passivamente l'energia ambientale, " dice Fu.

Il team ha depositato un brevetto per il nuovo design di "rettifica ad alta frequenza", e i ricercatori stanno lavorando con fisici sperimentali del MIT per sviluppare un dispositivo fisico basato sul loro design, che dovrebbe essere in grado di funzionare a temperatura ambiente, rispetto alle temperature ultrafredde richieste per i precedenti raddrizzatori e rivelatori terahertz.

"Se un dispositivo funziona a temperatura ambiente, possiamo usarlo per molte applicazioni portatili, "dice Isobe.

Egli prevede che, nel futuro prossimo, raddrizzatori terahertz possono essere utilizzati, ad esempio, per alimentare in modalità wireless gli impianti nel corpo di un paziente, senza richiedere un intervento chirurgico per sostituire le batterie di un impianto. Tali dispositivi potrebbero anche convertire i segnali Wi-Fi ambientali per caricare dispositivi elettronici personali come laptop e cellulari.

"Stiamo prendendo un materiale quantistico con qualche asimmetria su scala atomica, che ora può essere utilizzato, che apre molte possibilità, " dice Fu.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.