Da quando Nikola Tesla ha vomitato elettricità in tutte le direzioni con la sua bobina nel 1891, gli scienziati hanno escogitato modi per inviare energia elettrica attraverso l'aria. Il sogno è caricare il tuo telefono o laptop, o forse anche un dispositivo sanitario come un pacemaker, senza bisogno di cavi e spine. La parte difficile è ottenere l'elettricità per trovare l'obiettivo previsto, e far sì che quel bersaglio assorba l'elettricità invece di rifletterla semplicemente nell'aria, il tutto preferibilmente senza mettere in pericolo nessuno lungo la strada.

In questi giorni, puoi caricare uno smartphone in modalità wireless posizionandolo a meno di un pollice da una stazione di ricarica. Ma trasferimento di potenza wireless a lungo raggio utilizzabile, da un lato all'altro di una stanza o anche dall'altra parte di un edificio, è ancora un work in progress. La maggior parte dei metodi attualmente in fase di sviluppo prevede la focalizzazione di fasci stretti di energia e la loro mira verso il bersaglio previsto. Questi metodi hanno avuto un certo successo, ma finora non sono molto efficienti. E avere fasci elettromagnetici focalizzati che volano nell'aria è inquietante.

Ora, un team di ricercatori dell'Università del Maryland (UMD), in collaborazione con un collega della Wesleyan University in Connecticut, hanno sviluppato una tecnica migliorata per la tecnologia di trasferimento di potenza wireless che può promettere una trasmissione di potenza a lungo raggio senza fasci di energia strettamente focalizzati e diretti. I loro risultati, che ampliano l'applicabilità delle tecniche precedenti, sono stati pubblicati il ​​17 novembre 2020 sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Il team ha generalizzato un concetto noto come "anti-laser". In un laser, un fotone innesca una cascata di molti fotoni dello stesso colore che fuoriescono in un raggio coerente. In un anti-laser, accade il contrario. Invece di aumentare il numero di fotoni, un anti-laser assorbe in modo coerente e perfetto un raggio di molti fotoni sintonizzati con precisione. È come un laser che corre indietro nel tempo.

Il nuovo lavoro, guidato dal professore di fisica UMD Steven Anlage del Quantum Materials Center (QMC), dimostra che è possibile progettare un assorbitore perfetto coerente al di fuori della struttura originale del laser invertito nel tempo, un rilassamento di alcuni dei vincoli chiave nel lavoro precedente. Invece di assumere fasci diretti che viaggiano lungo linee rette in un bersaglio di assorbimento, hanno scelto una geometria che fosse disordinata e non suscettibile di essere percorsa a ritroso nel tempo.

"Volevamo vedere questo effetto in un ambiente completamente generale dove non ci sono vincoli, " dice Anlage. "Volevamo una sorta di casuale, arbitrario, ambiente complesso, e volevamo che si realizzasse un assorbimento perfetto in quelle circostanze davvero impegnative. Questa è stata la motivazione per questo, e ce l'abbiamo fatta".

Anlage e i suoi colleghi volevano creare un dispositivo che potesse ricevere energia da una fonte più diffusa, qualcosa che fosse meno raggio e più bagno. Prima di affrontare la sfida wireless, hanno allestito il loro anti-laser generalizzato come un labirinto di fili attraverso il quale le onde elettromagnetiche possono viaggiare. Nello specifico, usavano il microonde, un candidato comune per le applicazioni di trasferimento di potenza. Il labirinto consisteva in un fascio di cavi e scatole collegati in modo volutamente disordinato. Le microonde che attraversano questo labirinto si aggrovigliano così tanto che, anche se fosse possibile invertire il tempo, questo comunque non li avrebbe districati.

Sepolto in mezzo a questo labirinto c'era un assorbitore, l'obiettivo a cui fornire il potere. Il team ha inviato microonde di frequenze diverse, ampiezze e fasi nel labirinto e misurato come sono state trasformate. Sulla base di queste misurazioni, sono stati in grado di calcolare le proprietà esatte delle microonde in ingresso che avrebbero portato a un perfetto trasferimento di potenza all'assorbitore. Hanno scoperto che per le microonde di ingresso scelte correttamente, il labirinto ha assorbito un 99,999% senza precedenti della potenza che vi hanno inviato. Ciò ha mostrato esplicitamente che è possibile ottenere un assorbimento perfetto e coerente anche senza un laser eseguito a ritroso nel tempo.

Il team ha quindi compiuto un passo verso il trasferimento di potenza wireless. Hanno ripetuto l'esperimento in una cavità, una lastra di ottone di diversi piedi in ogni direzione con un foro di forma strana nel mezzo. La forma del foro è stata progettata in modo tale che le microonde vi rimbalzassero intorno in modo imprevedibile, modo caotico. Hanno posizionato un assorbitore di potenza all'interno della cavità, e ha inviato le microonde per rimbalzare nello spazio aperto all'interno. Sono stati in grado di trovare le giuste condizioni a microonde in ingresso per un assorbimento perfetto e coerente con un'efficienza del 99,996%.

Il recente lavoro di una collaborazione di team in Francia e Austria ha anche dimostrato un perfetto assorbimento coerente nel proprio labirinto disordinato a microonde. Però, il loro esperimento non era così generale come il nuovo lavoro di Anlage e colleghi. Nel lavoro precedente, le microonde che entrano nel labirinto sarebbero comunque districate da un'ipotetica inversione del tempo. Questa potrebbe sembrare una sottile distinzione, ma gli autori affermano che dimostrare che l'assorbimento perfetto coerente non richiede alcun tipo di ordine nell'ambiente promette l'applicabilità praticamente ovunque.

Generalizzare le tecniche precedenti in questo modo invita a idee che suonano come fantascienza, come essere in grado di caricare in modalità wireless e da remoto qualsiasi oggetto in un ambiente complesso, come un edificio per uffici, con efficienza quasi perfetta. Tali schemi richiederebbero che la frequenza, ampiezza, e la fase dell'energia elettrica è personalizzata in base a obiettivi specifici. Ma non ci sarebbe bisogno di focalizzare un raggio ad alta potenza e puntarlo verso il laptop o il telefono:le stesse onde elettriche sarebbero progettate per trovare il bersaglio prescelto.

"Se abbiamo un oggetto a cui vogliamo dare potere, useremo prima la nostra attrezzatura per misurare alcune proprietà del sistema, "dice Lei Chen, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica presso l'UMD e l'autore principale dell'articolo. "In base a queste proprietà possiamo ottenere i segnali a microonde unici per questo tipo di sistema. E sarà perfettamente assorbito dall'oggetto. Per ogni oggetto unico, i segnali saranno diversi e appositamente progettati."

Sebbene questa tecnica mostri grandi promesse, molto resta da fare prima dell'avvento degli uffici wireless e plug-less. L'assorbitore perfetto dipende in modo cruciale dalla potenza che viene sintonizzata esattamente per l'assorbitore. Un leggero cambiamento nell'ambiente, come spostare il laptop di destinazione o alzare le tapparelle nella stanza, richiederebbe un'immediata risintonizzazione di tutti i parametri. Così, ci vorrebbe un modo per trovare in modo rapido ed efficiente le giuste condizioni per un perfetto assorbimento al volo, senza usare troppa potenza o larghezza di banda. Inoltre, è necessario fare più lavoro per determinare l'efficacia e la sicurezza di questa tecnica in ambienti realistici.

Anche se non è ancora il momento di buttare via tutti i cavi di alimentazione, un assorbimento perfetto coerente può tornare utile in molti modi. Non solo è generale per qualsiasi tipo di obiettivo, non è inoltre limitato all'ottica o alle microonde. "Non è legato a una tecnologia specifica, "dice Anlage, "Questo è un fenomeno ondulatorio molto generale. E il fatto che sia fatto nelle microonde è solo perché è lì che sono i punti di forza nel mio laboratorio. Ma potresti fare tutto questo con l'acustica, potresti farlo con le onde di materia, potresti farlo con atomi freddi. Potresti farlo in molti, tanti contesti diversi».

Oltre a Chen e Anlage, Tsampikos Kottos, un professore alla Wesleyan University, era un co-autore sulla carta.